Применение полимеров в добыче нефти - Зайцев Ю.В., Григоращенко Г.И., Кукин В.В.

Автор: Зайцев Ю.В. Григоращенко Г.И. Кукин В.В.

Теги: отрасли горной промышленности по виду добываемых минералов, руд, нерудных ископаемых нефть полезные ископаемые полимеры нефтяная промышленность нефтегазодобыча

Год: 1978

Похожие

Гидродинамическая теория фильтрации аномальных жидкостей

Анализ поверхности методами оже- и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии

Поливинилхлорид

Поверхностно-активные вещества: свойства и применение

Текст

ПРИМЕНЕНИЕ
ПОЛИМЕРОВ
В ДОБЫЧЕ НЕФТИ
МОСКВА
«НЕДРА»
1978
УДК 622.323 4- 541.60
Применение полимеров в добыче нефти. М., «Недра», 1978, с. 213.
Авт.: Г. И. Григоращенко, Ю. В. Зайцев, В. В. Кукин и др.
В книге рассмотрены вопросы применения высокомолеку-
лярных соединений в нефтяной промышленности. В ней с единых
позиций исследуются реологические и вязкостные характери-
стики полимерных растворов, рассмотрены особенности дви-
жения их как в трубах, так и в пористой среде. Установ-
лено, что и полимерные растворы, и твердые частицы, и газовые
включения приводят, в качественном отношении, к одним и тем
же результатам.
Впервые приведены данные о вязкоупругих характеристиках
слабоконцентрированных полимерных растворов, изложены
кинетические неравновесные эффекты для полимерных и других
вязкоупругих систем и описано их применение в технологпче-
ских процессах добычи нефти.
В книге обобщены материалы по применению полимеров
при заводнении, а также приведены данные о промышленном
использовании их при заводнении в Советском Союзе и за ру-
бежом.
Анализируются влияние полимерных добавок на гидравли-
ческую характеристику турбулентных потоков и возможность
использования их при компрессорном и механизированных
способах добычи. Для выбора оптимальных условий применения
полимерных растворов использован метод эволюционного плани-
рования.
Книга предназначена для инженерно-технических работни-
ков нефтяной промышленности, работников научно-исследова-
тельских институтов и может быть использована студентами
нефтяных вузов и факультетов.
Табл. 40, ил. 100, список лит. — 103 назв.
Ав тор ы: Л Я. Григоращенко, Ю. В. Зайцев, В. В. Ку-
кин, Ю. Г. Мамедов, А. X. Мирзаджанзаде, А. М. Хасаев,
И. А. Швецов.
451090
30802—200
043 (01)—78 268-78 © Издательство «Недра», 1978
ПРЕДИСЛОВИЕ
В настоящее время повышение нефтеотдачи на разрабатываемых
месторождениях — проблема большого научного и технико-
экономического значения, так как даже незначительное увеличе-
ние ее дает эффект, соизмеримый с вводом в эксплуатацию нового
крупного месторождения.
В научно-исследовательских работах, проводимых в последние
годы, разрабатываются методы повышения степени извлечения
нефти из пластов. В некоторых из этих исследований приводятся
многочисленные мероприятия, обеспечивающие, при определенных
условиях, существенное увеличение конечной нефтеотдачи, по-
вышение эффективности использования балансовых запасов нефти.
Высокое значение нефтеотдачи пластов может быть достигнуто,
как известно, различными путями. Мероприятия по повышению
нефтеизвлечения, разрабатываемые и применяемые научно-иссле-
довательскими и производственными организациями в последние
годы, предусматривают решение этой проблемы:
I) регулированием параметров разработки месторождений
(темп отбора жидкости, расстановка скважин на структуре, выбор
схемы воздействия на залежь и т. д.);
II) применением методов воздействия на залежь растворами
специальных химических реагентов (полимеры, поверхностно-
активные вещества, мицеллярные и щелочные растворы и т. д.);
III) созданием в нефтеносном пласте в широком масштабе
физических процессов, таких, как подземные взрывы, магнитная
обработка нефти, вибрационные методы воздействия на породу
и жидкость и др.
Применение в нефтепромысловой практике таких методов
подтверждает целесообразность постановки и решения целого
ряда задач по разработке теоретических и практических основ
новых методов повышения нефтеотдачи пластов. Из этого следует,
что необходимо комплексное решение общей проблемы нефте-
отдачи с использованием различных методов воздействия, которые
могут дополнить друг друга.
Отметим, что применение конкретного метода воздействия
часто связано и сопровождается возникновением новых проблем.
Так например, известно, что применение поверхностно-активных
веществ при определенных геологопромысловых условиях может
обеспечить некоторое увеличение коэффициента нефтеотдачи пла-
стов. При использовании ПАВ встает новая задача — исследова-
ние влияния их закачки на биологические процессы, происходя-
щие в пласте (в частности, являются ли ПАВ питательной средой
для бактерий и др.). Известно, что закачка карбонизированной
воды — это эффективное средство увеличения нефтеизвлечения
1*
3
из пористой среды. Такой же эффект достигается применением
ряда высокомолекулярных полимеров. Некоторые газовые вклю-
чения при закачке карбонизированной воды ведут себя, как это
установлено лабораторными исследованиями, так же, как и при
закачке полимерных соединений, и возникает вопрос, какие из
этих методов, в каких условиях предпочтительны. Магнитная
обработка закачиваемой в пласты воды, по имеющимся в научно-
технической литературе данным, может привести при одних
значениях параметров обработки к росту, а при других — к умень-
шению нефтеотдачи пластов. Кроме того, такие системы могут
обладать так называемой «памятью». Следовательно, каждый
новый метод требует обсуждения целесообразности применения
на конкретных месторождениях.
Из имеющихся на сегодня множества разработок по решению
проблемы нефтеотдачи в настоящей книге рассматривается одна —
применение полимеров, так как не все разработки по этой про-
блеме находятся в стадии широкого практического использования.
Следует отметить, что как в отечественной, так и в зарубежной
научно-технической литературе освещены многие аспекты при-
менения полимеров в добыче нефти. Настоящая книга отличается
тем, что в ней с единых позиций рассмотрены реологические
характеристики полимерных растворов. Исследованы особенности
движения полимерных растворов в пористой среде и трубе. Пока-
зано, что применение полимеров в трубопроводном транспорте
нефти из-за их значительного расхода в ряде случаев может ока-
заться и неэффективным, а для процессов нефтеизвлечения эконо-
мически рентабельным. Обоснована целесообразность изыскания
более дешевых, доступных, но обладающих достаточно высокой
эффективностью реагентов, таких как гудрон, кокс и др. Устано-
влено, что во всем многообразии применения в добыче нефти и
полимеры, и твердые частицы, и отдельные газовые включения
приводят, в качественном отношении, к одним и тем же резуль-
татам.
В книге обобщены материалы отечественных и зарубежных
исследователей по применению полимеров для повышения нефте-
отдачи пластов и предложены некоторые новые перспективные
направления.
В книгу вошел ряд исследований, выполненных авторами
в содружестве с научными сотрудниками Алескеровым А. М.,
Баренблаттом Г. И., Бейбутовой А. Г., Булиной И. Г., Вахито-
вым Г. Г., Гасановым Д. А., Караевым М. А., Киселенко Б. Е.,
Мамаевым В. А., Меркуловым В. П., Одишария Г. Э., Па-
лием И. А., Рыжиком В. М-, Соляковым Ю. В., Ягубовым Б. М.
и др. Всем им авторы выражают глубокую признательность,
а также заранее благодарят читателей за критические замечания
и отзывы.
Глава I
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И РЕОЛОГИЧЕСКИЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ РАСТВОРОВ ПОЛИМЕРОВ
ВОДОРАСТВОРИМЫЕ ПОЛИМЕРЫ, ПРИГОДНЫЕ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ
В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ ДОБЫЧИ НЕФТИ,
И ИХ ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА
Ограниченное число полимеров из всего многообразия и огромного
числа известных в природе и синтезированных высокомолеку-
лярных соединений растворяется в воде. Для их растворения
в воде необходимо наличие в цепи макромолекул гидрофильных
функциональных групп: амидных, карбоксильных, гидроксильных
и др.
Водорастворимые полимеры находят все большее применение
в различных технологических процессах при добыче, внутри-
промысловом сборе и транспорте нефти. Особенно широко исполь-
зуются ПОЛИМеры ДЛЯ Загущения закачиваемой п ттттяст воды,
повышения нефтеотдачи, снижения водопритока в обводнив-
шихся эксплуатационных скважинах и выравнивания профиля
приемистости в нагнетательных скважинах.
Из всех испытанных водорастворимых полимеров наибольшей^
эффективностью для регулирования подвижности закачиваемой <
в пласт воды обладают высокомолекулярные полимеры трех \
типов: на основе акриламида (в частности, гидролизованные J
полиакриламиды), полиэтиленоксиды и полисахариды. Из на-
званных полимеров предпочтение следует отдать полиакриламиду
(ПАА). Особенность ПАА заключается в том, что подвижность
его растворов в пористой среде значительно ниже подвижности,
рассчитанной по вязкости, замеренной стандартными методами.
Это явление, получившее название в некоторых отечественных
литературных источниках «фактор сопротивления», обусловлено
неньютоновским характером течения растворов, а также адсорб-
цией и механическим улавливанием полимера в пористой среде.
В американской литературе под «фактором сопротивления»
часто понимается отношение подвижности воды к подвижности
раствора полимера при фильтрации в пористой среде. Нам пред-
ставляется, что первый вариант применения термина «фактор
сопротивления» более удачный, так как в этом случае величина его
показывает, во сколько раз кажущаяся вязкость при фильтрации
в пористой среде выше вязкости, замеренной на вискозиметре,
и характеризует специфические свойства полимеров, подобных
5
ПАА. Другой важной особенностью ПАА является способность
проявлять так называемый «остаточный фактор сог^отивления»,
который выражается в снижении подвижности воды, закачива-
емой вслед за раствором ПАА.
В Советском Союзе полиакриламид получают из нитрила
акриловой кислоты (НАК) заменой нитрильной группы па амид-
ную с последующей полимеризацией акриламида в присутствии
окислительно-восстановительных инициаторов [52]. Свойства ПАА
в значительной степени зависят от технологии его получения.
Схематично технология получения ПАА в промышленном
масштабе заключается в следующем. Исходный продукт НАК
омыляют в присутствии серной кислоты, в результате получают
водный раствор мономера акриламида. При этом частично про-
текает более глубокое омыление с образованием акриловой кис-
лоты. Затем серную кислоту нейтрализуют известью (при изве-
стковом способе получения) или водным раствором дммиака
(при аммиачном способе получения).
При аммиачном способе получения ПАА образовавшийся
в результате нейтрализации сернокислый аммоний остается в рас-
творе, при известковом же способе образовавшийся гипс, в основ-
ном, выпадает в осадок, который отфильтровывают. Поскольку
сернокислый кальций обладает некоторой растворимостью, часть
его остается в растворе. Параллельно проходит реакция нейтра-
лизации акриловой кислоты с образованием акрилата кальция.
После нейтрализации в растворе содержится 7—9% мономера
акриламида, который подвергается радикальной полимери-
зации.
Таким образом, в результате полимеризации получают не
гомополимер акриламида, а сополимер акриламида с акриловой
кислотой и ее солями. При этом степень гидролиза, т. е. отношение
карбоксильных групп к общему числу звеньев, колеблется в ши-
роких пределах — от 0 до 40%.
Процесс сополимеризации акриламида и акриловой кислоты
в присутствии ионов кальция может привести к образованию
разветвленной и частично сшитой структуры. В этом отношении
присутствие примесей солей акриловой кислоты нежелательно.
Появление разветвлений и сшивок возможно также при обра-
зовании имидных связей, что обусловлено склонностью поли-
акриламида претерпевать химические превращения под влиянием
изменения температуры. Уменьшения образования имидных свя-
зей можно достичь регулированием температурного режима при
получении полимера.
Необходимо предотвращать появление сшивок молекул, так
как они закупоривают поверхность фильтрации и ухудшают
растворимость полимера.
В работе [48] описан синтезированный методом радиационной
полимеризации сухой полиакриламид (ПААР). Полученный поли-
мер представляет собой крупнодисперсные кристаллы. Нами были
6
исследованы девять образцов, полученные по различным вариан-
там технологического процесса.
Содержание полимера в разных образцах колебалось в пре-
делах 62—85%. Образцы кристаллического ПААР имеют высокие
молекулярные массы (М) — от 3,6-10® до 9,35-10® — и значи-
тельную величину характеристической вязкости (от 8 до 15).
Эти образцы помещали в воду для набухания и только после
этого растворяли с помощью пропеллерной мешалки.
Вязкостная характеристика порошкообразных полиакрилами-
дов вполне удовлетворительна.
Вязкость 0,5%-ных растворов ПААР, приготовленных на ди-
стиллированной воде, колебалась от 15 до 65 сП.
Вязкость растворов тех же концентраций в присутствии NaCl
снижалась (до 9—24 сП). Характеристика растворов этих образ-
цов приведена в табл. 1.
Для пяти образцов ПААР был проведен гидролиз. В резуль-
тате вязкость гидролизованного 0,5%-ного раствора ПААР (обра-
зец № 331 М) резко возросла от 27,9 до 459,7 сП.
Гидролиз образца ПААР № 337 М дал несколько меньшее
увеличение вязкости — от 36,2 до 186,0 сП. Особенно высокая
вязкость после гидролиза оказалась у образца № 427 М — 935 сП.
Выше было отмечено, что в результате полимеризации ПАА
получен сополимер акриламида с акриловой кислотой и ее солями,
поэтому в водном растворе ПАА проявляет свойства полиамфо-
лита, которые относительно неустойчивы. В водном растворе
возможен самопроизвольный гидролиз ПАА, при котором часть
амидных групп превращается в аммониевую соль полиакриловой
кислоты, или же амидная группа замещается на карбоксильную
группу — СООН.
В кислой среде карбоксильные группы практически не дис-
социируют. Однако в нейтральной или щелочной средах степень
ионизации карбоксилов сильно возрастает. Диссоциация карбо-
ксилов может быть существенно увеличена при превращении их
в соль полиакриловой кислоты добавлением щелочи.
При определенном значении pH ионизация амидной группы
проходит с захватом протона. При этом образуется амидная
группа CONHg, которая обладает слабыми щелочными свой-
ствами.
Таким образом, в самом общем виде в водном растворе ПАА
должен проявлять свойства катионно-анионного полиэлектролита
—СН2—СН—СН2—СН—СН2— СН—СН2— СН— СН2—
1111
С=о с=о с=о с=о
I I I I +
NH, О—К- NH2 NH3
где К+ — катионы аммония, натрия, водорода и др.
Степень диссоциации ПАА, как и каждого полиамфолита,
зависит от соотношения кислотных и основных групп и pH среды.
7
ТАБЛИЦА 1
ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЛИАКРИЛАМИДА, ПОЛУЧЕННОГО МЕТОДОМ
РАДИАЦИОННОЙ ПОЛИМЕРИЗАЦИИ (ПААР)
Номер образца Содержание, вес. % Характе- ристическая вязкость Молекуляр- ная масса М- 10-*
ПАА н2о манометр
235М 85,0 15,0 11,5 6,17
305М 62,5 30,5 7,0 11,4 6,17
331М 69,0 27,5 3,5 15,0 9,35
337М 85,0 15,0 — 14,2 8,62
257М 65,6 20,5 13,9 8,0 3,62
268М 69,0 30,0 1,0 8,5 3,79
431М 85,0 15,0 — 14,5 8,93
427М 85,0 15,0 — 14,5 8,9
79М 85,0 15,0 — 9,0 4,33
Продолжение табл. 1
Номер образца Исходная степень гидролиза, Г, % Время растворения образцов, мин Вязкость 0,5%-ных растворов, сП После дополнитель- ного гидролиза
в дистиллиро- ванной воде в растворе NaCl степень гидро- лиза, % вязкость 0,5%- пого раствора в дистиллиро- ванной воде, сП
235М 8,0 40 46,6 16,8 —
305М 2,0 40 25,0 10,6 — —
331М 3,0 180 39,0 20,0 30,0 459,7
337М 8,0 21 55,0 18,25 32,0 186,0
257М 4,0 10 15,8 8,65 — —
268М 5,0 8 23,8 8,7 — —
431М 3,0 20 48,1 15,9 40,4 295,0
427М 5,0 21 65,5 23,6 42,6 935,0
79М 2,0 8 21,1 12,9 38,4 486,2
При определенном значении pH число положительных и отрица-
тельных зарядов в цепи полиамфолита стеновится равным, и сум-
марный заряд макромолекулы в этой изоэлектрической точке
равен нулю. При низких значениях pH в цепи преобладают поло-
жительные заряды, по мере повышения pH количество положи-
тельных зарядов уменьшается, а число групп, обладающих анион-
ными свойствами, увеличивается. При возрастании pH выше
8
изоэлектрической точки полиамфолит приобретает свойства поли-
кислоты с преобладанием отрицательно заряженных звеньев
в цепи полимера.
В водном растворе благодаря ионизации полиэлектролита
между мономерными звеньями возникают силы электростатиче-
ского отталкивания, что приводит к развертыванию клубков
и увеличению их линейных размеров.
Однако в минерализованной воде полиэлектролитное набуха-
ние макромолекул подавляется противоионами, поэтому резко
уменьшается вязкость растворов гидролизованного ПАА (в 5—
10 раз). В связи с этим в качестве загустителей воды иногда целе-
сообразно использовать полимеры неионогенного типа, на физико-
химические свойства которых не должно оказывать влияние pH
среды и минерализация воды.
Были исследованы полиэтиленоксиды (ПЭО), представляющие
собой твердые воскоподобные термопластичные гомополимеры
линейного строения с высокой молекулярной массой
(—СН2—СНа—О—)„. Это продукты полимеризации окиси эти-
лена на различных катализаторах. Полиэтиленоксиды хорошо
растворимы в воде, бензоле и его гомологах, имеют высокую
степень кристалличности (95%) и высокоупорядоченную струк-
туру молекул, что установлено рентгеноструктурным ана-
лизом.
Растворимость полиэтиленоксидов в воде зависит от pH среды,
с увеличением pH от 4 до 10 растворимость полимера возрастает.
Изменение pH в пределах от 4 до 11 оказывает небольшое влияние
на вязкость водных растворов полиоксов. При pH выше 12 кон-
центрация гидроксильных ионов понижает вязкость осаждением
полимера из раствора.
Как показали измерения вязкости растворов, приготовленных
в различных по составу водах, полиэтиленоксиды выгодно отли-
чаются от полиакриламида тем, что вязкость их растворов в мине-
рализованных водах не снижается.
Данные табл. 2 и 3 свидетельствуют о том, что присутствие
в растворах небольшого количества минеральных солей (в наших
опытах 2% NaCl) практически не влияет на вязкостные свойства
растворов ПЭО. В очень концентрированных растворах электро-
литов полиэтиленоксиды высаливаются из растворов.
В ряде других, испытанных нами органических растворителях,
ацетоне, бутиловом, этиловом и метиловом спиртах, петролейном
эфире, серном эфире и четыреххлористом углеводороде полимеры
не растворялись.
Полиэтиленоксиды не гигроскопичны, о чем свидетельствует
величина содержания влаги в полимерах, которая колеблется
для всех испытанных образцов около 1% (см. табл. 2). Раствори-
мость ПЭО в воде определяли по стандартной методике с перемеши-
ванием без предварительного набухания полимера. Полное рас-
творение полимера происходило через 2—7 ч, в зависимости от
9
ТАБЛИЦА 2
ЗАВИСИМОСТЬ ВЯЗКОСТИ РАСТВОРОВ ОТ МОЛЕКУЛЯРНОЙ МАССЫ
ПОЛИЭТИЛЕНОКСИДОВ ПРИ КОНЦЕНТРАЦИИ 0,1 И 0,5%
Номер Вязкость растворов, сП злаги еском а X н аз ап
а лярна Г. 10-« S R . Я Ч ф о о в &<В ? 2 R -
о x***ie^ в дистиллиро- в минерализо- £ g ®
образг парпи Молен масса ванной воде ванной воде d р 5 С С, - и Ч о о и я к Время в диет вой вс
1 193 0,7 1,63/5,5 1,69/7,6 1,2 2,2
2 196 1,0 1,76/7,1 1,79/7,8 1,0 2,2
3 — 1,0 —/8,6 —/9,2 — 2,5
4 195 1,4 1,9/10,4 1,4,10,6 0,7 3,5
5 199 1,7 2,3/14,1 2,9/14,8 1,0 —
6 192 1,8 2,0/9,5 2,0/9,7 1,0 3,5
7 846 2,3 2,2/26,2 2,2/26,3 0,1 —
8 194 2,5 2,2/22,9 2,3/17,9 0,8 3,5
9 — 2,7 —/39,8 —/44,0 — 5,0
10 198 2,7 2,8/25,0 2,8/31,5 1,0 5,0
11 200 3,6 3,3/52,4 3,6/62,3 1,4 6,0
12 197 4,2 4,1/97,5 4,1/128,0 1,0 7,0
13 845 3,79 -/- —/17,8 0,1 4,7
14 847 5,0 -/- -/9,8 0,1 3,3
Примечания. 1. Вязкость замеряли на капиллярном вискозиметре при гра-
диенте скорости 1000 с-1.
2. М. образцов 13, 14 указаны по данным изготовителя.
3. В числителе при концентрации 0,1%, в знаменателе — при 0,5%.
ТАБЛИЦА 3
ЗАВИСИМОСТЬ ВЯЗКОСТИ РАСТВОРОВ ОТ МОЛЕКУЛЯРНОГО ВЕСА
ПОЛИОКСОВ ПРИ КОНЦЕНТРАЦИИ 0,1 И 0,5% (ОБРАЗЦЫ ФИРМ США)
Полимер Молекулярная масса (М • 10~в) по данным Вязкость растворов, сП Время раство- рения, я
фирм Гипро- во сток- нефть в дистилли- рованной воде в минерали- зованной воде
Лолиокс WSR-301 4,0 2,46/23,40 1,98/16,60 2,5
Полиокс WSR-35 1,0 0,3 1,30/3,28 1,29/2,90 1,0
Лолиокс WSR-205 2,5 0,4 1,38/3,86 1,38/3,86 2,0
Полиокс-22 7,5 — 2,54/26,30 2,94/34,00 6,0
Полиокс — 2,5 3,42/42,8 2,98/42,80 4,0
Примечание. В числителе при концентрации 0,1%; в знаменателе при
0,5%.
10
молекулярной массы его. С увеличением молекулярной массы
растворимость полимеров ухудшалась.
Вязкость растворов полиэтиленоксидов возрастает пропор-
ционально молекулярной массе. По данным табл. 2 и 3 построен
график зависимости вязкости растворов ПЭО в дистиллированной
воде от средневесовой молекулярной массы полимера. Эффектив-
ную вязкость измеряли на капиллярном вискозиметре при гра-
диенте скорости 1000 с'1. Среднее значение молекулярной массы
исследованных полимеров колебалось от 0,3-106 до 2,5-10®. При
концентрации ПЭО в растворе 0,5% критическое значение моле-
кулярной массы было равным Мкрит = 1,5 - 10 е. В области низких
молекулярных масс вязкость возрастает пропорционально моле-
кулярной массе в степени 0,72, а в области высоких значений
молекулярных масс вязкость становится пропорциональной М2’5.
В соответствии с теорией Викки [37] и многочисленными экспери-
ментальными данными при М )>Мкрит следовало бы ожидать М3 4
и в пашем случае, однако более низкое значение показателя сте-
пени, видимо, объясняется тем, что в наших экспериментах вяз-
кость измеряли в области неньютоновского режима течения
(в области аномально-вязкого течения) при достаточно высоких
значениях градиента скорости.
Для 0,1%-ных растворов ПЭО критическое значение молеку-
лярной массы оказалось равным 2,5-10®.
Как показали исследования, полиэтиленоксиды сравнительно
легко подвергаются механической и окислительной деструкции.
Окислительная деструкция полимеров под влиянием кислорода
воздуха и других факторов — процесс самопроизвольный и об-
условливается наличием в молекулах полимера активных конце-
вых групп или каких-либо функциональных групп.
Роль концевых групп в химических превращениях полимеров
впервые отмечена в работах Штаудингера. Деполимеризация
(деструкция) полиэтиленоксидов может происходить, главным
образом, из-за наличия концевых гидроксильных групп — при
окислительных процессах с образованием гидроперекисей и пере-
кисей, а также при термических процессах. Причем полимер
с более высокой молекулярной массой должен быть более устойчив
к деструктивным процессам благодаря меньшей концентрации
концевых групп.
Явление деструкции четко наблюдается в растворах поли-
зтиленоксидов. Для исследования были приготовлены растворы
трех образцов ПЭО в дистиллированной воде 0,5 и 0,05 %-ной
концентрации и оставлены в закрытых сосудах на длительное
хранение (4—7 мес) при t = 20° С.
Во всех растворах измеряли исходную вязкость, а затем ее
проверяли через определенные промежутки времени. Как пока-
зали измерения, вязкость растворов при хранении их в спокойном
состоянии систематически падала. Причем для двух образцов
с высокой молекулярной массой (М = 3,6-106 и 4,2-10®) в течение
И
первого месяца вязкость раствора резко уменьшилась, а затем
стабилизировалась и держалась примерно на одинаковом уровне
в последующие месяцы (рис. 1), однако тенденция к небольшому
уменьшению вязкости наблюдалась и в это время.
У образца ПЭО №7(М = 2,3-10е) вязкость раствора 0,5%-ной
концентрации снижалась в течении 6 месяцев почти по линейному
закону.
Вязкость растворов малых концентраций (0,05%) всех трех
образцов почти не изменялась во времени.
Не исключено, что окислительная деструкция происходит
не только в растворах, но и в сухом полимере, находящемся
в кристаллическом состоянии. Во всяком случае молекулярная
масса разных образцов ПЭО, измеренная нами через несколько
месяцев после синтеза, оказалась в 2—6 раз ниже исходной.
Например, среднее значение молекулярной массы образца № 7
(см. табл. 2), измеренная методом светорассеяния, через три
месяца после синтеза была равна 2,3-10®, степень полидисперс-
ности 3,2, в то время как исходная молекулярная масса его была
равна Ми = 4,3-10®. Известно, что для полидисперсного полимера
существует закономерность: Ми <М. Таким образом, наблюда-
емое различие молекулярных масс можно отнести за счет деструк-
ции. Еще более значительна разница молекулярных масс амери-
канских образцов (см. табл. 3), например, молекулярная масса
полиокса WSR-205 по данным фирмы более чем в 6 раз выше заме-
ренной нами. Разумеется, наблюдаемое различие является след-
ствием не только деструкции полимера, но и неидентичности мето-
дик определения молекулярных масс отдельных образцов. Однако
это обстоятельство не может быть причиной столь существенной
разницы.
Таким образом, к недостаткам полиэтиленоксидов следует
отнести их неустойчивость.
Исследованиями фильтрационных свойств растворов этих поли-
меров было установлено, что при течении в пористой среде они
практически не обладают фактором сопротивления, тем самым
снижается нефтевытесняющая эффективность применения ПЭО.
Однако, несмотря на эти недостатки, они могут быть использованы
при заводнении низкопроницаемых пластов, кроме того, эти
полимеры с успехом применяют для снижения гидравлических
сопротивлений в трубопроводах.
' Практически интерес могут представлять полимеры, выпуска-
емые в порошкообразном виде: Метас, Комета, Гипан. Эти поли-
меры были исследованы как возможные загустители воды
(рис. 2, 3).
Метас — белый кристаллический порошок с содержанием 70%
полимера, представляет собой сополимер метакриловой кислоты
(54%) и метакриламида (46%). Молекулярная масса образцов
Метаса равна 2-10®. В нейтральной и кислой среде полимер рас-
творяется плохо.
12
Рис. 1. Деструкция полизтиленоксидов
(изменение относительной вязкости во
времени):
1 — с = 0,05 %, М = 3,6-10»; 2 — с = 0,05%,
М •= 4,2-10»; 3 — с = 0,5%, М = 2,3-10»
Рис. 2. Зависимость вязкости
Рис. 3. Зависимость вязкости
растворов полимеров от концен-
трации при градиенте скорости
1000 с"1.-
1 — раствор полимера Комета в ди-
стиллированной воде (полимер не ней-
трализован); 2 — раствор полимера
Метас в дистиллированной воде; 3 —
раствор полимера Комета в дистилли-
рованной воде (полимер нейтрализован)
растворов полимера Гипан от
его концентрации в воде:
1 — дистиллированной; 2 — водо-
проводной; 3 — озерной
Комета — сополимер метакриловой кислоты и ее натриевой
соли, выпускается в двух модификациях: в кислой форме и в соле-
вой (нейтрализованной щелочью). Нейтрализованный полимер
хорошо растворяется в воде, растворы его имеют высокую вяз-
кость. При фильтрации в пористой среде полимер проявляет ярко
выраженные псевдопластические свойства. При малых скоростях
фильтрации (<10,5 м/сут) 0,05 %-ный раствор Кометы в дистил-
лированной воде дает снижение подвижности в 100 раз и более
по сравнению с подвижностью воды. В минерализованных водах
(3% NaCl) раствор этого полимера значительно менее эффективен.
Однако и в том, и в другом случае растворы фильтруются без
затухания при практически линейном распределении давления
вдоль керна. Все это дает основание рекомендовать этот полимер
для заводнения нефтяных пластов.
В последнее время нашел широкое применение в качестве
изолирующего материала Гипан — продукт щелочного гидро-
лиза полиакрилонитрила, нитрильные группы которого гидро-
лизуются до амидных и карбоксильных
— СН,—СН-СН2-СН—СН2-СН—
I I I
CONH2 COONa CN.
Соотношение функциональных групп в молекуле этого поли-
мера следующее: —COONa — 75%; —C0NH2 — 15%; —CN —
10%.
Вследствие относительно большого количества карбоксильных
групп в молекуле полимер должен проявлять, главным образом,
свойства полиакриловой кислоты и ее натриевых солей. По внеш-
нему виду Гипан — вязкая жидкость желтого цвета, хорошо
растворяющаяся в воде; исходная концентрация полимера —
11,0%; молекулярная масса примерно равна Ю5'; содержание
азота — 3,45%.
ВЯЗКОСТНЫЕ СВОЙСТВА РАЗБАВЛЕННЫХ РАСТВОРОВ
ПОЛИМЕРОВ
Для изучения полных реологических характеристик растворов
полимеров концентрацией от 0,001 до 0,50% в широком диапазоне
градиента скорости необходимы высокоточные вискозиметры. Осо-
бенно большой интерес представляет область малых значений
градиента скорости, так как часто требуется знать величину
наибольшей ньютоновской вязкости и точку начала проявления
аномалии вязкости при установившемся простом сдвиговом тече-
нии. Кроме того, для пластовых условий характерны малые
градиенты скорости.
Однако стандартные отечественные вискозиметры не обладают
достаточной точностью. Поэтому был разработан и изготовлен
капиллярный вискозиметр постоянного расхода, позволяющий
снимать кривые зависимости перепада давления Др от расхода Q
в широком диапазоне его изменения. Схема вискозиметра пред-
ставлена на рис. 4.
Основными узлами вискозиметра являются датчик постоянного
расхода (ДПР) и капиллярный узел, помещенные в термостатный
шкаф, который обеспечивает постоянство заданной температуры
с точностью ±0,05°.
При создании вискозиметра наибольшие трудности были свя-
заны с изготовлением датчика постоянного расхода. Постоянство
задаваемого значения расхода на всех скоростях было достигнуто
точным изготовлением всех деталей датчика и тщательностью
его сборки. Для повышения стабильности расхода на малых
скоростях пришлось установить помимо основного плунжера
диаметром 25 мМ* малый плунжер диаметром 4 мм, которые могут
работать как раздельно, так и вместе. Плунжеры перемещаются
синхронным электродвигателем через шестеренчатый редуктор
14
Рис. 4. Схема капиллярного вискозиметра постоянного расхода:
1 — электродвигатель; 2 — датчик по- ры; 7 — заглушки; 8 — приемная камера;
стоянного расхода; з — микроскоп; 4 — 9 — нагреватель; ю — вентилятор; 11 —
пьезометр; 5 — осветитель; в — капилля- фильтр
ДПР, имеющий 15 дискретных скоростей (передаточное число
между соседними передачами 2,5), обеспечивает стабильный расход
жидкости в интервале от 1,85-10'7 до 2,76-10'2 см3/с. Оценка
стабильности работы датчика показала, что относительная по-
грешность измерения заданного расхода не превышала ±0,1?^
во всем диапазоне скоростей.
Капиллярный узел (см. рис. 4) состоит из входной стеклянной
камеры 5, в которую помещены шесть капилляров 6. Через микро-
скоп 3 в луче проходящего света можно просматривать торцы
капилляров и прилегающий к ним слой жидкости. Оптическое
устройство для визуальных наблюдений за чистотой исследуемой
жидкости построено по принципу ультрамикроскопа. Все капил-
ляры выходят в общую приемную камеру 8 со сливным приемни-
ком 12 диаметром 15 см. Это практически полностью исключает
влияние капиллярных сил на результаты измерений.
Конструкция капиллярного узла позволяет устанавливать
различные по диаметру (d) и длине (Z) капилляры, т. е. изменять
отношение lid в широком диапазоне. Специальными заглушками
любой из капилляров может быть закрыт. При одинаковых капил-
лярах создаются условия для регулирования скорости течения
и расширения диапазона исследуемых скоростей.
В работе нами были использованы шесть капилляров длиной
35 ± 0,05 см и средним диаметром d, равным 195,2 мкм. Макси-
мальное отклонение от среднего диаметра не превышало 2%. При
данном наборе капилляров ДПР обеспечивал градиенты скорости
в интервале 0,042—6380 с-1. Кроме того, максимальный градиент
скорости мог быть увеличен до 38 200 с-1 отключением пяти
15
капилляров. Перепад давления в капиллярах измеряли водным
и ртутным пьезометрами с погрешностью 0,1 мм вод. ст. с помощью
катетометра.
Отношение lid в наших опытах составляло 1800, поэтому
поправку на входные эффекты можно не учитывать.
Результаты экспериментов обрабатывали в консистентных
переменных (напряжение сдвига, тга = \рг/21— градиент ско-
рости Ф = 4Q/n:r3, где г = d/2). Истинное значение градиента
скорости у на стенке капилляра может быть определено по изве-
стной формуле Муни-Рабиновича.
При тарировке прибора определяли зависимости \р = / (Q)
для дистиллированной воды. Сравнение полученного значения
вязкости с табличным показало, что в интервале расходов от
1,2 • 10-6 до 7,5 • 10’6 см3/с на капиллярах диаметром 100—200 мкм
добиться стационарного режима не удавалось. В капиллярах
большего диаметра (600—800 мкм) режим быстро устанавливался.
При заданных расходах давление колебалось, причем зависимость
Ар = / (Q), построенная по средним значениям давлений, указы-
вала на предельное напряжение сдвига. На первый взгляд, эти
результаты подтверждали выводы Н. Ф. Бондаренко и др. [8],
которые в своих экспериментах отмечали наличие т0 для дистил-
лированной воды. По их данным т0 = 8-10"2 дин/см2 при течении
воды в капилляре диаметром 100 мкм и 6,4-IO-2 дин/см2 в капил-
ляре с диаметром 200 мкм. В более поздней работе [91 среднее
значение предельного напряжения сдвига составляет уже 1 х
X Ю'2 дин/см2 при 15° С. Однако необходимо было объяснить
отсутствие постоянного режима течения и колебания давления,
наблюдавшиеся в наших опытах, так как даже многократная пере-
гонка дистиллированной воды под вакуумом в соответствии с ре-
комендациями работы [9] не обеспечила стабилизацию перепада
давления в капиллярах 200 мкм и меньше. Было сделано пред-
положение, что эта аномалия вызвана наличием в воде примесей,
приводящих к закупориванию каналов капилляра.
Ультрамикроскопические наблюдения показали, что в дистил-
лированной воде содержится значительное число частиц диа-
метром 1—5 мкм. Видимо, в воде присутствуют частицы и значи-
тельно более мелкие, однако разрешающая способность микро-
скопа не позволяла их обнаружить. Казалось бы, наличие в воде
частиц указанного размера не должно влиять на течение через
капилляры, так как их диаметр на два порядка больше среднего
размера частиц. Однако улавливание частиц на торце и стенках
капилляра происходит за счет межмолекулярных сил взаимодей-
ствия частиц с материалом капилляра. Частицы, коснувшись
поверхности стекла, прочно удерживаются на стенках капилляра.
С уменьшением скорости фильтрации захват возрастает. Ультра-
микроскопические исследования показали, что «заиливание» торца
отверстия капилляра начинается с периферии и постепенно затя-
гивает все отверстие. Давление при этом непрерывно возрастает
16
до тех пор, пока накопившиеся на торце частицы не продавятся
через капилляр. При этом давление резко падает, и процесс на-
копления начинается заново.
Для достижения необходимой степени очистки дистиллирован-
ной воды нами были использованы бактериальные фильтры со
средним размером пор менее 1 мкм. Визуальные наблюдения
в той же камере показали, что в воде, прошедшей через бакте-
риальный фильтр, практически отсутствуют частицы, которые
наблюдались ранее. При дальнейшей работе с очищенной водой
затухание течения не происходило даже при весьма малых ско-
ростях, если прокачку проводили непрерывно несколько суток.
Минимальное значение напряжения сдвига в наших эксперимен-
тах составляло 1,36-Ю-2 дин/см2, причем зависимость т = / (у)
является строго прямой линией, идущей через начало координат.
Это дает основание утверждать, что вывод авторов работ [8, 91
о наличии предельного напряжения сдвига ошибочен и вызван
недостаточной очисткой воды, используемой в опытах.
Полученная в результате серии измерений при температуре
30 ± 0,05° С величина вязкости воды 0,8017 ± 0,0048 сП при
коэффициенте надежности 0,99 практически совпала с табличными
значениями. В соответствии со справочными данными вязкость
воды при 30° С составляет 0,7982 сП [77] или 0,8007 сП [24].
Коэффициент вариации оказался равным 0,6, что свидетель-
ствует о высокой точности измерений.
Современные теории неньютоновского течения растворов цеп-
ных полимеров предсказывают снижение эффективной вязкости
с увеличением градиента скорости. Аномалии течения обусло-
влены совокупным действием нескольких факторов. Для сильно
разбавленных растворов, когда можно пренебречь межмолеку-
лярным взаимодействием, гибкая цепная макромолекула, име-
ющая конформацию статистического клубка, в ламинарном потоке
подвергается воздействию пары сил. Поэтому при простом сдвиго-
вом течении молекула полимера совершает не только поступатель-
ное движение со скоростью жидкости в данной точке, но и враща-
тельное движение вокруг центра масс со средней угловой ско-
ростью вращения, равной половине градиента скорости. Если
градиент скорости достаточно мал (у -► 0), то макромолекула
вращается в потоке как жесткая частица с угловой скоростью без
деформации. Реальная гибкая цепь линейного полимера имеет
конформацию асимметричного клубка, поэтому под воздействием
обтекающего потока жидкости частица будет ориентироваться
продольной осью в направлении потока.
Таким образом, в области малых градиентов скорости макро-
молекулы ведут себя в ламинарном потоке как жесткие асим-
метричные частицы, совершая поступательное и одновременно
с этим вращательное движение по потоку. По мере роста градиента
скорости полимерная частица претерпевает все большие дефор-
мации под воздействием растягивающих сил, действующих
гы они
17
1 яилтАИА У НМ
в направлении потока, и сжимающих, которые действуют в перпен-
дикулярном направлении. Наибольшую величину деформирующие-
усилия приобретают в момент, когда главная ось асимметричной
молекулы составляет 45° с направлением потока. Поскольку
макромолекула вращается вокруг центра масс, она подвергается
периодическому растяжению и сжатию. Величина деформации
зависит от градиента скорости и кинетической жесткости моле-
кулярного клубка.
В результате деформации полимерной частицы возрастает ее
асимметрия, однако известно, что с увеличением асимметрии
частиц вязкость растворов, при прочих равных условиях, воз-
растает, поэтому деформация должна приводить к увеличению-
вязкости. Кроме того, необходимо учесть циклическое растяжение
и сжатие полимерного клубка в результате его вращения в лами-
нарном потоке, что приводит к дополнительной диссипации энер-
гии, а отсюда к увеличению вязкости с ростом градиента скорости.
Таким образом, при простом сдвиговом течении в области
достаточно больших значений градиента скорости на полимерную
молекулу одновременно действуют силы, ориентирующие ее в по-
токе и повышающие асимметрию клубка в результате его деформа-
ции. Ориентационные эффекты приводят к снижению вязкости,
деформация — к ее увеличению. Однако для реальных гибких
полимерных цепей влияние первого фактора выражено значи-
тельно сильнее, чем влияние деформации, независимо от кинети-
ческой жесткости цепей, поэтому в большинстве случаев следует
ожидать снижения вязкости сильно разбавленных растворов,
полимеров с увеличением градиента скорости однородного лами-
нарного потока.
По мере увеличения концентрации полимера в растворе растет
межмолекулярное взаимодействие полимерных клубков, которое
проявляется тем сильнее, чем больше размеры макромолекул.
Теории, в которых учитывается взаимодействие отдельных моле-
кул полимера, также предсказывают градиентную зависимость,
вязкости от скорости потока [37, 39], так как с увеличением гра-
диента скорости снижается межмолекулярное взаимодействие,
что приводит к уменьшению вязкости раствора.
Для полимеров достаточно высокой молекулярной массы
(более двух млн.) следует ожидать взаимодействия между моле-
кулами, приводящего к образованию ассоциатов, при концентра-
циях 0,01—0,03%. В самом деле, для полиакриламида М =
= 2-10 е среднее квадратичное расстояние между концами поли-
мерной цепи (Л2)1/2 (средний размер клубка), определенное методом
светорассеяния, составляет 200—250 нм (в зависимости от раство-
рителя). Расчеты показывают, что при таком размере макромоле-
кул они должны образовывать сплошную сетчатую структуру
с плотной упаковкой полимерных клубков уже при концентрации
полимера в растворе 0,05%. При более низких концентрациях
наблюдаются роевые образования.
18
Явления агрегирования макромолекул в растворах и образова-
ние структур в полимерных системах играют большую роль
в учении о полимерах и зачастую определяют реологические свой-
ства полимерной системы. Однако возможности исследования
-структур в растворах, содержащих большие молекулы меня-
ющейся формы, довольно ограничены.
Работами В. А. Каргина с сотрудниками [20, 21] доказано
упорядоченное надмолекулярное строение полимеров.
В связи с тем, что молекулы полимеров достаточно велики,
наиболее надежным (если не единственным) методом наблюдения
отдельных макромолекул и явлений агрегации нескольких макро-
молекул, вплоть до возникновения крупных надмолекулярных
структур, является электронная микроскопия. Поэтому в работах
В. А. Каргина широко используется электронно-микроскопи-
ческий метод для исследования конфигурации полиэлектролитных
макромолекул, характера агрегации и структурирования их
в растворе.
В работе [20] описаны результаты исследования растворов
полиакриловой кислоты и ее солей: бариевой, натриевой, цези-
евой и соли четвертичных аммониевых оснований. Полиакриловая
кислота с молекулярной массой 1—3 млн. была получена поли-
меризацией акриловой кислоты. Исследования показали, что
молекула полиакриловой кислоты состоит из отдельных изоли-
рованных глобул сферической формы и всегда симметричных.
Размер отдельных глобул находился в пределах 10—15 нм. Исходя
из молекулярной массы исследуемой полиакриловой кислоты были
рассчитаны размеры молекул в предположении, что цепочки
представляют собой свернутый клубок, плотность которого равна
плотности массы полимера. Рассчитанная величина такого клубка
составляет приблизительно 10 нм. Глобулы представляют собой
отдельные молекулярные цепочки. С увеличением концентрации
кислоты появлялись «вторичные» структуры; они довольно ком-
пактны, образованы соединением отдельных симметричных глобул
без взаимного проникновения.
Для полиакрилата бария, также как и для чистой полиакрило-
вой кислоты, характерна «вторичная» структура глобулярного
типа, образованная слипанием симметричных глобул, обладающих
размерами молекулярного клубка 8—10 нм. Симметричные гло-
булы, не участвующие в образовании вторичных структур, обла-
дают размерами, соответствующими свернутой молекулярной це-
почки. Величины диаметров таких клубков составляют также при-
близительно 8—10 нм.
Аналогия в поведении чистой полиакриловой кислоты и ее
бариевой соли объясняется одинаковой конфигурацией длинно-
цепочных полиионов в растворе. Полиакриловая кислота пред-
ставляет собой слабый полимерный электролит. Слабая кислота
в чистом растворителе ионизована только частично и внутри-
молекулярные силы отталкивания между ионными группами
19
(карбоксильными группами), соединенными ковалентными свя-
зями с молекулярной цепочкой, малы и недостаточны для выпря-
мления цепочки молекул. Гибкий полиион под действием терми-
ческих сил сворачивается в случайную кольцевую конфигурацию.
В растворах полиакрилата бария к термическим силам при-
бавляются большие внутримолекулярные силы, обусловленные
присутствием двухвалентного бария и взаимодействием его с кар-
боксильными группами, стягивающими клубок в более плотное
образование.
Ввод в боковые группы полиакриловой кислоты одновалентных
катионов способствует повышению степени диссоциации карбо-
ксильных групп. В этом случае внутримолекулярные электро-
статические силы отталкивания между заряженными звеньями
цепи приводят к увеличению жесткости и к распрямлению моле-
кулярных цепочек.
Для полиакрилатов натрия, цезия и четвертичных аммони-
евых оснований характерна разветвленная структура, элементами
которой являются изогнутые, различной плотности и длины
ниточки. Это типичная фибриллярная структура, фибриллы кото-
рой соединяются друг с другом самым случайным образом. Вели-
чины поперечных размеров фибрилл находятся в пределах 4—
12 нм. Такие фибриллы образованы несколькими молекулярными
цепочками, соединяющимися друг с другом определенным образом
в «пачки», участвующие в таком виде в образовании вторичных
структур.
В разбавленных растворах встречались и отдельные изолиро-
ванные частицы, которые представляют собой или сильно изогну-
тые «пачки», или, как и в случае полиакриловой кислоты и ее
бариевой соли, отдельные симметричные глобулы, размеры кото-
рых соответствуют отдельным свернутым молекулярным цепочкам.
Обобщая накопившиеся электронно-микроскопические наблю-
дения, В. А. Каргин и сотрудники развили современные пред-
ставления о характере расположения цепных молекул в аморфном
полимере. В работах [20—22] показано, что расположение цепных
молекул в полимерах соответствует в одних случаях системе
молекул, свернутых в клубки, а в других случаях — системе
пучков цепей, соприкасающихся друг с другом.
Таким образом, две формы существования макромолекул
(глобулярная и фибриллярная), описанные выше для растворов
полиакриловой кислоты и ее солей, характерны для всех линейных
полимеров. Однако эти простейшие образования, включающие
одну или несколько полимерных макромолекул, возникают обычно
в растворах и существуют только при очень малых концентрациях
полимерного вещества. При более высоких концентрациях эти
образования могут контактировать, что приводит к двум различ-
ным следствиям. Если полимер находится в высокоэластичном
состоянии, то отдельные глобулярные частицы могут сливаться
в одну частицу большого размера подобно слиянию капель
20
жидкости. Тогда при повышении концентрации полимера в рас-
творе возникают структуры, содержащие уже не одну, а значи-
тельно большее число (десятки, сотни, а иногда и тысячи) макро-
молекул в одной частице.
Описанное слияние глобул происходит лишь в случае очень,
гибких и подвижных макромолекулярных цепей. Если цепи не
очень жестки или внутримолекулярное взаимодействие достаточно
велико, то образовавшиеся молекулярные глобулы могут сохра-
ниться и до очень высоких концентраций полимера: вплоть до
твердого состояния. В зависимости от условий проведения поли-
меризации могут быть термодинамически более выгодными те
или иные конформации. Поэтому из одного и того же мономера
можно получить множество различных по физической структуре
полимеров, крайними типами которых будут глобулярный и
фибриллярный.
Совершенно очевидно, что реально существующее разнообразие
форм строения полимеров требует всестороннего изучения кон-
формаций макромолекул, характера агрегации и структурирова-
ния их в растворе в зависимости от реальных внешних условий.
Механический перенос результатов исследований одних полимер-
ных материалов, полученных и существующих в определенных
условиях, на другие может привести к ошибочным выводам.
Существующие представления о структуре и конформациях
отдельных молекул и ассоциатов полиакриламида базируются,
в основном, на исследованиях других полиэлектролитов, имеющих
сходные с полиакриламидом свойства.
В связи с этим нами была предпринята попытка изучить стро-
ение макромолекул полиакриламида в зависимости от конкретных
условий.
Исследовали на электронном микроскопе ЭМ-7 полиакриламид
молекулярной массой 1,57-10в и степенью гидролиза Г = 9%.
В некоторых опытах ПАА дополнительно гидролизовали щелочью
до Г = 23,6% и 45,6%.
Изучали также влияние комплексообразующих добавок на
структуру полимера в разбавленных растворах со значительным
содержанием электролита 2 : 1 и 2 : 2 (первая цифра соответствует
валентности катиона, а вторая — аниона). Образец препариро-
вался методом угольно-платиновых реплик. Предварительно на
обеспыленную слюдяную подложку наносили тонкий слой рас-
твора полимера, затем растворитель испарялся в обеспыленной
камере под вакуумом, и после этого наносили угольно-платиновую
пленку под известным углом напыления. Полученную реплику
исследовали под микроскопом.
Исследованиями на электронном микроскопе установлено изме-
нение конформаций молекул в зависимости от свойств раствори-
теля, агрегирование макромолекул в процессе повышения кон-
центрации ПАА или же при добавлении в раствор 2 : 1 электро-
лита (СаС12), а также 3 : 1 электролита (FeCl3).
21
Рис. 5. Раствор полимера при разной
степени гидролиза,
%
•а — 23,6; б — 45,6;
в — 53,3
Фотографии были получены при прямом электронно-микро-
скопическом увеличении 16 000 с последующим фотографическим
увеличением.
На снимке (рис. 5, а) видны отдельные изолированные гло-
булы ПАА со степенью гидролиза 23,6%. Отдельные макромоле-
кулы имеют довольно правильную сферическую форму. Размер их
в пределах 20—50 нм. По мере увеличения концентрации полимера
в растворе (от 0,0001 до 0,01%) наблюдается слияние отдельных
глобул в довольно компактные структуры, глобулярная форма
строения отдельных макромолекул при этом сохраняется. Сли-
яние молекул происходит без взаимного проникновения их друг
в друга. Размер образовавшихся «гроздей» колеблется в довольно
широких пределах — от 70 до 100 нм. Таким образом, для вторич-
ных структур слабо гидролизованного ПАА характерно глобу-
лярное строение, аналогичное надмолекулярной структуре поли-
акриловой кислоты или полиакрилата бария [20]. Роевые обра-
зования как в том, так и в другом случае состоят из десятков
и сотен индивидуальных макромолекул. Симметричные глобулы,
не участвующие в образовании вторичных структур, обладают
размерами индивидуальной молекулы в очень разбавленных
.растворах.
22
Следует отметить, что наблюдаемые на фотографиях (см.
рис. 5) глобулы макромолекул указанного выше размера (20—
50 нм) имеют значительно более плотную упаковку по сравнению
с конформациями макромолекул в хороших растворителях. Во
всяком случае, для полиакриламида молекулярной массой 1,5 X
>< 10е метод светорассеяния дает средний размер молекулярного
клубка около 200 нм в растворах NaCl. В дистиллированной годе
для гидролизованного ПАА следует ожидать еще большие размеры
клубка.
Такое различие в размерах макромолекул объясняется, ви-
димо, тем, что в процессе препарирования образцов полимера
его молекулы сворачиваются в плотные клубки. Присутствие
в цепи частично гидролизованного полимера ионизированных
карбоксильных групп в какой-то мере препятствует полному
сворачиванию клубка в процессе препарирования. Действительно,
электронно-микроскопические исследования ПАА с низкой сте-
пенью гидролиза (Г = 9%) показали, что размер макромолекул
в этом случае составляет 15—20 пм. Можно предположить, что
коэффициент набухания этих молекул равен единице.
Коэффициент набухания (а) макромолекулы характеризует
изотропное увеличение ее линейных размеров сравнительно с ее
размерами в состоянии, не возмущенном внутримолекулярными
взаимодействиями.
Согласно [37, 39], а = (h2)'/* (hl)'1*, где (Д2)1^ — средне-
квадратичное расстояние между концами полимерной цепи в иде-
альном растворителе, (hl)1/2 — «невозмущенные» размеры макро-
молекулы, соответствующие наиболее компактной ее упаковке.
Коэффициент набухания будет действительно близок к еди-
нице, поскольку плотность ПАА, определенная вискозиметри-
чески, была равна рассчитанной. Предполагая, что молекулы
свернуты в клубки, плотность их равна плотности вещества
в объеме. Расчет вели по формуле [32]:
= (1)
т
где V — объем одного клубка, см3;
р — плотность материала, г/см3;
т — масса протона, г, т = 1,6724-10"24 г.
Молекулярная масса, подсчитанная по формуле (1), находится
в пределах 1—2 млп.
Кроме того, были рассчитаны средние размеры глобул ПАА
по формуле (1), исходя из известной молекулярной массы (1,57 X
X 10е), и полагая, что плотность упаковки звеньев цепи полимера
максимальна. Рассчитанная величина такого клубка составляет
17,1 нм, что подтверждает условие а = 1 для рассмотренного
случая.
23
Повышение степени гидролиза приводит к увеличению сил
электростатического отталкивания внутримолекулярного клубка
полиэлектролита, и размеры макромолекул от этого могут уве-
личиться в несколько раз. Действительно, наблюдения в элек-
тронный микроскоп показали, что размер молекул гидролизован-
ного щелочью ПАА возрастает до 50—100 нм (степень гидролиза
45,6%), т. е. диаметр отдельных глобул возрос в 3—5 раз по срав-
нению с «негидролизованным» ПАА (см. рис. 5, б).
Отдельные глобулы гидролизованного ПАА при исходной
концентрации раствора полимера 0,0001% показаны на рис. 5, б.
Обращает внимание то обстоятельство, что форма глобул уже не
строго сферическая, хотя и близка в ней. Это свидетельствует
-о неплотной упаковке макромолекул, вместе с тем внутримоле-
кулярные силы еще достаточно велики, что препятствует образо-
ванию линейных структур. Значительную гибкость цепной моле-
кулы при сравнительно большой ее ионизации (45,6%-ной степени
гидролиза) можно объяснить тем, что несмотря на сильное раз-
бавление раствора макромолекулы удерживают в своем поле все
противоионы и сопутствующие ионы после щелочного гидролиза
в соответствии с микроскопическим доннановским равновесием,
т. е. сохраняется электронейтральность в области, занятой макро-
ионом. Наличие противоионов подавляет в некоторой степени
силы электростатического отталкивания.
По мере увеличения концентрации гидролизованного ПАА
в растворе наблюдается слияние отдельных глобул в надмолеку-
лярные структуры, отчасти напоминающие фибриллы. Однако
строго фибриллярной структуры не было. Характерная форма
агрегации макромолекул по мере увеличения концентрации гидро-
лизованного ПАА показаны на рис. 5, в. Образовавшаяся струк-
тура представляет собой нечто среднее между глобулярной и
фибриллярной формами.
Наблюдаемые в электронном микроскопе агрегатные образо-
вания и надмолекулярные структуры характерны для полимерной
системы в состоянии покоя (при у = 0). Если к раствору полимера
приложить сдвигающее напряжение, то существующие между
частицами связи деформируются, а с увеличением градиента
скорости начинают рваться, что приводит к постепенному изме-
нению структуры. В области малых концентраций, когда поли-
мера в растворе недостаточно для образования сплошной струк-
туры по всему объему, отдельные агрегаты макромолекул ведут
себя в потоке как изолированные частицы до преодоления не-
которого энергетического барьера, т. е. в области малых градиен-
тов скорости все полимерные молекулы в агрегате движутся
в потоке примерно с одной и той же скоростью. Последующее
увеличение сдвигающих напряжений приводит к полному раз-
рушению агрегатов на индивидуальные макромолекулы, которые
способны к деформации и ориентации в направлении потока.
Таким образом, в самом общем случае градиентная зависи-
24
мость вязкости от скорости потока определяется межмолекуляр-
пым взаимодействием, ориентационными эффектами и деформа-
цией полимерных частиц. Все эти факторы находятся в непосред-
ственной зависимости от свойств полимера (молекулярной массы
и молекулярно-массового распределения полимера, природы рас-
творителя, жесткости цепи макромолекул и др.), поэтому вискози-
метрические исследования дают ценную информацию о полимерной
системе. Однако имеющийся в мировой литературе системати-
ческий экспериментальный материал по изучению вязкостных
свойств сильно разбавленных растворов полимеров, и особенно
полиэлектролитов, совершенно недостаточен.
Анализ работ зарубежных и отечественных исследователей
показал, что изучение реологических характеристик разбавленных
растворов полимеров проводили на стандартных или несколько
модифицированных капиллярных вискозиметрах типа Освальда
[72, 75, 91, 92]. Иногда данные капиллярного вискозиметра
сравнивали с результатами, полученными на стандартном рота-
ционном вискозиметре. Гогарти [75] работал на специально скон-
струированном капиллярном вискозиметре постоянного расхода,
который принципиально не отличается от вискозиметра нашей
конструкции, описанной в данной работе. Однако Гогарти про-
водил исследования не с полимерными растворами, а с модельными
жидкостями, которые ведут себя подобно растворам полимеров.
Данные, полученные на вискозиметре, показали псевдопласти-
ческий характер течения этих моделей в стеклянном капилляре.
Нет единого мнения относительно формы зависимости кажу-
щейся вязкости раствора полимера (например, полиакриламида)'
от концентрации. Так, Льюис [65] получил зависимость цк = / (с)
в виде кривой, обращенной выпуклостью вниз.
Мунган [91, 92], определяя кажущиеся вязкости растворов
ПАА различной концентрации на модифицированном вискозиметре
Оствальда при одинаковых градиентах скорости У = 1000 с-1,
получил кривую зависимости цк = / (с), прямо противоположную
кривой Льюиса, — выпуклостью вверх.
Как показал анализ, большинство исследователей изучало
реологические свойства растворов полимеров (ПАА, полиокс)
концентрации 0,05% и выше. Правда, Мунган [91, 92] исследовал
более широкую область концентраций (0,005—0,25%), однако
диапазон изменения градиента скорости был небольшим (10—
1000 с-1). Реологические свойства слабоконцентрированных рас-
творов ПАА (ниже 0,005%) в настоящее время изучены мало, хотя
представляют известный интерес. Изучение, например, структуры
макромолекул полиэлектролита в растворе позволит проследить
за возможными изменениями формы и размера макромолекул
в зависимости от концентрации полиэлектролита в растворе.
В исследованиях реологических свойств растворов полимеров
использовали ПАА молекулярной массой 1,53-10е, степенью
гидролиза 31,4%. Исследовали растворы различных концентраций.
25
в дистиллированной воде (pH = 6,7). Результаты экспериментов
•обрабатывали в консистентных переменных (напряжение сдвига
= kprISI, модуль градиента скорости, осредненный по сечению
Ф = 4Q/nr3), которые являются макроскопическими параметрами.
Величина xw представляет собой касательное напряжение на
стенке капилляра. Для получения истинной зависимости вязкости
•от градиента скорости необходимо знать значения xw и у у стенки
капилляра. Истинные значения xw и у в этой области могут быть
определены из известной формулы Мунй-Рабиновича по xw и Ф:

. Ф 1g Ф
4d 1g тш *
(2)
Для определения по этой формуле величины у, исходя из
экспериментальных данных, строят зависимость 1g Ф от 1g хш
и по ней графическим дифференцированием находят величину
d 1g Ф/d 1g xw.
Как было отмечено, формула Муни-Рабиновича устанавли-
вает связь между касательным напряжением и градиентом ско-
рости на стенке капилляра, однако многие исследователи считают,
что эта зависимость справедлива для любого сечения капилляра,
т. е. у = / (т). В этом случае эффективная вязкость неньютонов-
ской жидкости может быть определена по отношению найденных
значений касательного напряжения и градиента скорости р, =
= т/у.
Рис. 6. Зависимость касательного напря-
жения от градиента скорости:
(а — область высоких градиентов; б — область . ,.j
низких градиентов) для растворов ПАА различ- °
ной концентрации. %:
1 — 0,001; 2 — 0,003; 3 — 0,006;
4 — 0,01; 5 — 0,03; 6 — 0,05 г
Касательное напряжение,
дин/ см г
26
Поправка на входные эффекты нами не учитывалась, поскольку
отношение lid в наших опытах составляло 1800, что обеспечивало
достаточную точность без учета входных эффектов.
Результаты экспериментов приведены на рис. 6.
На рис. 6, б показан начальный участок кривых у = f (т)
при малых градиентах скорости. Все кривые выходят из начала
координат и при у = 4 с-1 отклоняются от прямых. Если бы
исследования проводили только при градиентах скорости, пре-
вышающих указанное значение, то можно было бы при экстра-
поляции полученных кривых сделать ошибочный вывод о наличии
предельного напряжения сдвига [13].
Реологические кривые в широком диапазоне градиентов ско-
рости приведены на рис. 6. При концентрации 0,001 % указанная
зависимость близка к ньютоновской. Для растворов концентра-
ций 0,003 и 0,006% получены полные реологические кривые
Оствальда. При более высоких концентрациях характер течения
также нелинейный, но в исследованном диапазоне скоростей
выхода на минимальную ньютоновскую вязкость, характерного
для оствальдовской кривой, не получено. Кривые аппроксими-
руются степенным законом. Таким образом, при простом сдвиговом
течении растворов ПАА в диапазоне концентраций 0,001—0,05%
имеет место псевдопластический характер, механизм которого
подробно рассмотрен выше.
Более наглядно нелинейность течения растворов ПАА наблю-
дается на графике зависимости эффективной вязкости от гра-
диента скорости (рис. 7), построенного для различных концентра-
ций полимера в растворе.
Очень часто при построении зависимости эффективной вяз-
кости раствора полимера от концентрации измеряют кинемати-
ческую вязкость. При этом время истечения растворов разной
концентрации на капилляре заданного диаметра различно. С уве-
личением концентрации оно возрастает. Если сохранять время
истечения в пределах, предусмотренных стандартной методикой,
увеличением диаметра капилляра, то можно значительно снизить
градиент скорости. Это приводит к резкому завышению значений
вязкости при больших концентрациях.
На рис. 8 кривая 1 получена при постоянном напряжении
сдвига т = 20 дин/см2, а кривые 2 и 3 — при постоянных гра-
диентах скорости, соответственно, 1,68 и 2563 с-1. Кривые имеют
качественно различный характер. Очевидно, что правомерными
являются только кривые 2 и 3.
Указанная зависимость лежит в основе определения молеку-
лярной массы полимера вискозиметрическим методом, который
основан па определении характеристической вязкости (р) с после-
дующим вычислением молекулярной массы с помощью известной
зависимости Марка — Куна — Хаувинка (р) = КМа', где коэф-
фициенты К и at являются постоянными для системы полимер —
растворитель при данной температуре.
27
Рис. 7. Зависимость эффективной вязкости
от градиента скорости для растворов
ПАА различной концентрации, %:
1 — 0,001; 2 — 0,0015; 3 — 0,003;
4 — 0,006; 5 — 0,01;
в — 0,03; 7 — 0,05
Рис. 8. Зависимость эффективной вязкости
растворов ПАА от концентрации при раз-
личных градиентах скорости, с”1.-
1 — 1,68; 2 — 20; 3 — 2563
Характеристическая вязкость является мерой потери энергии,
вызванной вращением частиц в растворителе, и определяется
следующим образом. Измеряют вязкость раствора стандартным
методом на капиллярном вискозиметре при различной концентра-
ции полимера в растворе. Далее рассчитывают значения относи-
тельной Цот и удельной руд вязкости:
Рот = Н/Но и Нуд=(Н —Но)/Ио = Нот—1,
где ц — стандартная вязкость раствора, сП,
Ро — вязкость растворителя, сП.
Характеристическую вязкость определяют графической экс-
траполяцией к нулевой концентрации значений приведенной
вязкости, полученных для нескольких концентраций.
В случае незаряженных цепных молекул эта экстраполяция
возможна лишь потому, что форма отдельного клубка незначи-
тельно зависит от концентрации раствора. Совершенно иная
картина наблюдается для растворов полиэлектролитов: разбавле-
28
Рис. 9. Зависимость приведенной вяз-
кости раствора ПАА от концентра-
ции:
1 — известковый ПАА в 2%-ном растворе
NaCl; 2 — аммиачный ПАА в 10%-ном
растворе NaCl; 3 — известковый ПАА в
дистиллированной воде; 4 — аммиачный
ПАА в дистиллированной воде; 5 — ги-
дролизованный (дополнительно) известко-
вый ПАА в дистиллированной воде
ние приводит к увеличению объема, в котором распределяются
противоионы, стремящиеся расположиться подальше от полииона.
В результате этого будут уменьшаться экранирование фиксирован-
ных зарядов, возрастать взаимное отталкивание, а полиион будет
стремиться к набуханию [92, 70], поэтому графики зависимости
рУд/с от с часто обладают большой кривизной, а это делает экстра-
поляцию невозможной. Для обработки таких данных предла-
гается [1] строить зависимость руц/с от ]/с или in р,от/с от с, кото-
рые в некоторых случаях удовлетворительно укладываются на
прямую.
На рис. 9 показана зависимость приведенной вязкости цуд/с
от концентрации для ПАА.
Из рисунка видно, что для растворов полиэлектролитов в ди-
стиллированной воде зависимость приведенной вязкости от кон-
центрации имеет нелинейный характер с явно выраженным мини-
мумом. Экстраполяция левой ветви этой кривой до нулевой кон-
центрации, как это предлагается некоторыми авторами,
неизбежно приведет к значительным ошибкам, так как при этом
не учитывается наличие максимума в области очень низких кон-
центраций.
На рис. 10 зависимость приведенной вязкости растворов ПАА
в дистиллированной воде от концентрации дана при различных
градиентах скорости (в области малых значений концентрации).
Во всех случаях отчетливо видны максимумы, наличие которых
объясняется тем, что при значительном разбавлении влияние
противоионов сводится к минимуму. Полиэлектролитное набуха-
ние достигает предела, и дальнейшее разбавление приводит к рез-
кому уменьшению приведенной вязкости.
Характерно, что с увеличением градиента скорости кривые
становятся более пологими и располагаются ниже, причем экс-
траполяция кривых к с ->• 0 дает различные значения характери-
стической вязкости.
29
Рис. 10. Зависимость приведенной
вязкости от концентрации полимера
в растворе при различных градиен-
тах скорости, c~L:
1 — 4,2; 2— 26,3;
3 — 65,6; 4 — 164,0;
.5 — 410,1; в — 2050,5;
7 — 2563,2
Рис. 11. Зависимость вязкости рас-
твора ПАА от pH:
а — известковый ПАА; б — аммиачный
ПАА; 1 — раствор ПАА в минерализо-
ванной воде; 2 — раствор ПАА в дистил-
лированной воде
Вязкость растворов полиэлектролитов в значительной степени
зависит от pH среды. На рис. 11 показана зависимость вязкости
растворов ПАА в дистиллированной воде (кривая 2) и в минера-
лизованной воде, содержащей ионы Са2+ и Na+ (кривая 7), вяз-
кость растворов ПАА в дистиллированной воде увеличивается
с возрастанием pH до ^7,5. В кислой среде резко снижается сте-
39
лень диссоциации макромолекул полиэлектролита за счет обра-
зованней слабо диссоциирующих групп полиакриловой кислоты,
что приводит к сворачиванию молекул в плотные клубки и по-
нижению в результате этого вязкости. Повышение pH добавлением
щелочи приводит к образованию хорошо диссоциирующих солей
полиакриловой кислоты, в результате возрастает электростати-
ческое отталкивание отрицательно заряженных звеньев цепи
полимера. В нейтральной области вязкость раствора достигает
максимального значения. С дальнейшим увеличением pH в рас-
творе резко возрастает концентрация ионов, которые оказывают
экранирующее действие на заряды цепи, в результате она свора-
чивается, и вязкость раствора падает.
Совершенно иначе ведут себя растворы ПАА в минерализован-
ной воде в присутствии поливалентных катионов. В этом случае
вязкость растворов ПАА очень слабо зависит от pH среды, воз-
растая почти по линейному закону при изменении pH от 2 до 12.
В данном случае решающую роль, видимо, играют внутри- и меж-
молекулярные сшивки отдельных звеньев цепи через катион каль-
ция. Изменение pH среды в указанных пределах слабо влияет
на конформацию макромолекул в этих условиях.
РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РАЗБАВЛЕННЫХ РАСТВОРОВ
ПОЛИАКРИЛАМИДА ПРИ ФИЛЬТРАЦИИ В ПОРИСТОЙ СРЕДЕ
Исследования показали, что стандартная вязкостная характе-
ристика раствора полимера не может служить достаточным осно-
ванием для выбора загустителя, так как при одной и той же кон-
центрации полимера более вязкие растворы не всегда проявляют
эффективные фильтрационные и нефтевытесняющие свойства.
Эффективность вытеснения нефти растворами полимеров в зна-
чительной степени определяется теми свойствами, которые они
проявляют при фильтрации в пористой среде, в частности их
реологическими характеристиками.
Отметим, что исследования особенностей фильтрации растворов
полимеров в пористой среде, проведенные зарубежными и отече-
ственными авторами, дают противоречивые результаты. Слабая
изученность фильтрационных свойств растворов полимеров объяс-
няет отсутствие удовлетворительных методов расчета процесса
заводнения с полимерами.
Исследования мы проводили на образцах естественного песча-
ника и искусственных модельных средах, сцементированных
и несцементированных, которые предварительно насыщали водой
или нефтью.
В качестве растворителей использовали дистиллированную
воду, растворы NaCl и других солей в дистиллированной воде,
водопроводную воду и воду с «Голубого озера», которую при-
меняют для заводнения Орлянского месторождения.
31
ТАБЛИЦА 4
РАСТВОРЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБРАЗЦОВ ПАА.
КОНЦЕНТРАЦИЯ 0,05% (ПЕРВАЯ СЕРИЯ ОПЫТОВ)
Номер опыта Растворитель Молекуляр- ная масса М-10* Степень гидролиза, % Проницае- мость пористой среды, д
1 Дистиллированная вода 1,5 20,1 1,0
2 Дистиллированная вода 1,5 30,0 1,0
3 2%-ный раствор NaCl 1,5 30,0 0,40
4 Дистиллированная вода 2,2 21,3 0,51
5 Дистиллированная вода 2,2 21,3 1,35
6 Дистиллированная вода 2,6 — 0,92
7 2%-ный раствор NaCl 3,4 19,0 0,39
8 Дистиллированная вода 3,4 19,0 0,39
Примечание. В опыте 6 использован полимер, переосажденный ацетоном
из геля ПАА.
В процессе проведения опытов при постоянной скорости фи-
ксировали давление перед входом в образец и в промежуточных
точках, а также расход, если опыт проводили при постоянном
перепаде давления. На выходе непрерывно измеряли вязкость
вытекающей жидкости.
В первой серии опытов был использован ПАА промышленного
производства. Пористой средой служили искусственно сцементи-
рованные керны длиной 24 и диаметром 2,9 см. Опыты проводили
при постоянной скорости фильтрации в диапазоне скоростей
от 0,196 до 12,1 м/сут. Наибольший интерес представляет интервал
малых скоростей (от 0 до 3 м/сут), так как, во-первых, он реали-
зуется в пластовых условиях и, во-вторых, в этом диапазоне
скоростей реологические характеристики полимеров практически
не изучены.
J Во всех опытах этой серии керны насыщали дистиллированной
водой с последующим вытеснением ее 0,05%-ным раствором
исследуемого полимера. (Предварительно растворы на фильтрах
не очищали. Поэтому роль фильтра выполнял входной участок
керна длиной 3 см. На этом участке во время фильтрации раство-
ров ПАА наблюдали медленный, но непрерывный рост давления
(темп роста зависел от скорости фильтрации). В промежуточных
точках по длине керна давление стабилизировалось. На каждой
скорости опыт проводили до установившегося режима фильтрации,
который отмечали по стабилизации давления в промежуточных
точках керна и вязкости выходящего раствора.
Молекулярная масса и степень гидролиза исследованных
полимеров представлены в табл. 4, указаны также проницаемость
кернов и растворитель. Подвижности воды Хв = /св/цв и раствора
полимера Хр = /ср/цр рассчитывали по закону Дарси для каждой
скорости фильтрации. По этим данным были построены кривые
32
зависимости подвижности воды и полимера от скорости фильтра-
ции, которые показывают, что поведение различных растворов
ПАА в одном и том же интервале скоростей фильтрации в кернах,
близких по проницаемости, далеко неодинаково. В этом процессе
важную роль играют молекулярная масса полимера и свойство
растворителя.
Для исследованных образцов промышленного ПАА характерен
переход исевдопластического характера течения к дилатантному.
Причем скорости, при которых происходит этот переход, различны
для разных растворов. В опыте 7 (см. табл. 4) в диапазоне ско-
ростей 0.196—0,8 м/сут наблюдался ньютоновский режим филь-
трации. При этих же скоростях в опыте 4 раствор ПАА проявлял
псевдопластический характер течения. В области более высоких
скоростей и в том, и в другом случае был отмечен переход
к дилатантному течению. В опытах 3 и 8 переход от псевдо-
пластичности к дилатансии наблюдался при скоростях 3,0—
4,5 м/сут.
Величина скорости, при которой происходит переход от одного
типа течения к другому, зависит от проницаемости пористой
среды: с увеличением проницаемости возрастает скорость переход-
ного режима. ___
Результаты, полученные с промышленными образцами, следует '
рассматривать только с качественной стороны. Установить какие-
либо закономерности по влиянию свойств полимера (молекуляр-
ная масса, степень гидролиза и др.) и растворителя в данном слу-
чае не представляется возможным, так как физико-химические
свойства ПАА, выпускаемого промышленностью, нестабильны
и могут существенно изменяться от партии к партии. Особенно
значительные отличия могут быть в молекулярно-массовом рас-
пределении полимера, а этот параметр является одним из наиболее
важных. Как будет показано ниже, высокая степень полидисперс-
ности и наличие в полимере сшитых структур может коренным
образом изменить фильтрационные свойства растворов полимера
не только с количественной стороны, но и с качественной. Воз-
можно влияние и других факторов на реологические и фильтра-
ционные свойства ПАА. Наглядным примером служит опыт 6,
в котором был использован ПАА, дважды переосажденный из
геля ацетоном. В качестве исходного продукта был взят гель ПАА,
с которым были проведены опыты 4 и 5. В результате переосажде-
ния средняя молекулярная масса полимера несколько повысилась
(от 2,2-106 до 2,6-106) за счет убыли низкомолекулярной части,
однако характер течения резко изменился и стал дилатантным
во всем исследованном диапазоне скоростей, в то время как рас-
твор того же ПАА, но приготовленный из геля, имеет переходный
режим фильтрации.
Из сказанного следует, что промышленные образцы ПАА не I
могут служить моделями для установления общих закономерно-
стей фильтрации растворов полимеров в пористой среде. Поэтому
2 Заказ 522 (33
ТАБЛИЦА 5
РАСТВОРЫ ГОМОПОЛИМЕРОВ АКРИЛАМИДА В ДИСТИЛЛИРОВАННОЙ ВОДЕ-
КОНЦЕНТРАЦИЯ ПОЛИМЕРА 0,05% (ВТОРАЯ СЕРИЯ ОПЫТОВ)
Номер опыта Номер гомополи- мера Молекулярная масса М • 10“в а Степень полидис- персности Проницаемость керна, Д Отношение подвиж- ностей воды и раствора поли- мера Фактор сопротив- ления Остаточный фак- тор сопротивления
1 13 2,0 5,6 0,49 1,6 1,14 1,06
2 17 3,4 5,8 2,6 0,48 1,2-2,5 1,5—1,7 1,4-1,5
3 49 3,5 5,6 3,2 0,45 3,5—5,6 2,2—3,6 1,4—1,7
4 54 4,6 5,3 2,5 0,28 2,5—10,0 1,5—5,9 1,7-3,5
5 24 5,0 6,4 2,6 0,40 4,4—15,4 2,3—8,1 4,0-10,2
6 72 * 2,0 5,6 — 0,42 8,2—9,9 5,9—7,1 6,3—9,5
7 6 0,7 5,6 — 1,25 1,3 1,07 1,05
* Исходный манометр очищали от акрилатов кальция, но в нем присутствовали
имидные связи.
нами были исследованы полимеры, полученные в лаборатории
и свободные от различных примесей и сшитых структур.
Из очищенного от акрилатов кальция, имидов и акриловой
кислоты мономеров были получены гомополимеры акриламида
различной молекулярной массы и степени полидисперсности
(табл. 5).
Было установлено, что гомополимеры с молекулярной массой
до 1-106 фильтруются как ньютоновские жидкости через керны
сравнительно высокой проницаемости (0,34—1,25 Д) и при ско-
ростях менее 12 м/сут. Увеличение скорости приводит к дилатан-
сии, которая усиливается по мере возрастания М. Например,
гомополимер 17 проявляет слабые дилатантные свойства при
истинной скорости движения меньше 12 м/сут, а гомополимеры 54
и 24 с молекулярной массой, соответственно, 4, 6 и 5,0 млн. обла-
дают ярко выраженной дилатансией (рис. 12).
Из сравнения кривых 3 ъ 4 рис. 12 видно, что степень поли-
дисперсности, которую определяли методом светорассеяния, также
оказывает влияние на фильтрационные свойства полимера. На
рис. 13 показаны кривые течения дистиллированной воды, кото-
рую прокачивали через керны после фильтрации растворов поли-
меров. Характер течения воды в этом случае оказался таким же,
как и самих растворов, но степень снижения подвижности стала
ниже. Ясно, что дилатансию мог обеспечить только адсорбирован-
ный или механически удержанный пористой средой полимер.
Характерно, что для воды кривые располагаются в том же по-
рядке, как и для растворов полимеров. Только кривая 3 (филь-
34
ТАБЛИЦА 6
РАСТВОРЫ ГИДРОЛПЗОВАННЫХ ГОМОПОЛИМЕРОВ
И ПРОМЫШЛЕННЫХ РЕАГЕНТОВ В ДИСТИЛЛИРОВАННОЙ ВОДЕ.
КОНЦЕНТРАЦИЯ ПОЛИМЕРА 0,05% (ТРЕТЬЯ СЕРИЯ ОПЫТОВ)
1
2
3
4
5
ПАА № 17
ПАА № 54
ПААР
Пушер-500
ПАА № 24
3,4
4,6
3,4
3,1
5,0
2,6 0,49
2,5 0,38
5 0,50
4,9 0,30
2,6 0,40
55—20,4
95,5—48,7
128—63
293—85
205—68
9,6—3,6
8,5-4,3
18—8,9
31,8-9,2
16,5-4,2
1,4—1,2
9,5-4,3
217—145
17,5-7
трация воды после полимера № 49) оказалась выше кривой 4,
хотя проницаемость керна в первом случае была больше в 1,6 раза,
а молекулярная масса ниже. Это можно объяснить тем. что нали-
чие в ПАА № 49 фракции высокой молекулярной массы способ-
ствовало закупорке отдельных пор и, как следствие, повышению
фильтрационных сопротивлений для воды.
Таким образом, видно, что фильтрационная характеристика
растворов гомополимеров зависит не только от молекулярной
массы, но и от степени полидисперсности. Гидролиз гомополимеров
резко меняет фильтрационные свойства их растворов, пригото-
вленных в дистиллированной воде, по сравнению с негидро-
лизованными. Основные физико-химические характеристики
0,05 %-ных растворов гидролизованных гомополимеров в дистил-
лированной воде даны в табл. 6. Графики рис. 14 показывают, что
все растворы в дистиллированной воде гидролизованных полиме-
ров ведут себя как псевдопластические жидкости, причем вели-
чина снижения подвижности зависит от молекулярной массы,
степени гидролиза, а также от проницаемости пористой среды.
Важную роль играет и степень полидисперсности. Это видно из
сравнения фильтрационных кривых для ПАА № 54 и ПААР.
Молекулярная масса и степень гидролиза у ПААР меньше (см.
табл. 6), проницаемость керна, через который фильтровали рас-
твор ПААР, выше.
Все это должно было бы обеспечить меньшее снижение по-
движности раствора ПААР, чем полимера № 54, однако в опытах
наблюдали обратное явление (рис. 15, кривые 3 и 5). Особенно
сильное снижение подвижностей было при фильтрации растворов
реагента Пушер-500 (производства США), молекулярная масса
которого ниже, чем у всех остальных полимеров в данной серии.
Объясняется это прежде всего высокой степенью полидисперс-
2* 35
Рис. 12. Фильтрация в
(вторая серия опитое, табл. 5):
1 — № 13; 2 — Ха 17; 3 — № 49;
Рис. 13. Фильтрация води после
растворов гомополимеров:
1 _ х» 13; 2 — .№ 17; 3 — Ха 54;
4 — ,\; 49; Л — Хе 72; б — Na 24
дистиллированной
воде растворов гомополимеров
4 — Ха 54; 5 — Na 72; 6 — Ха 24
Истинная скорость, м/сут
Рис. 14. Фильтрация растворов гидролизованных полимеров в дистиллиро-
ванной воде (третья серия опытов; табл. 6):
1 — гидролизованный гомополимер Ха 17; 4 — гидролизованный гомополимер Ха 24*.
2 — то же, Ха 54; 3 — ПААР; S — Пушер-500
Рис. 15. Фильтрация воды после растворов полимеров:
7 — после гидролпзованного гомополимера
Ха 17; 2 — 2%-ный раствор NaCl после
Пушер-500;
3 — то же, Ха 54; 4 — после Пушер-500;
5 — после ПААР
36
ности реагента Пушер-500 (см. табл. 6). В данном случае она
играет положительную роль, так как обеспечивает большой фак-
тор сопротивления за счет высокомолекулярных фракций поли-
мера. Растворы ПАА, у которых отсутствуют поперечные сшивки
макромолекул, но достаточно широкий спектр молекулярно-
массового распределения, фильтруются в пористой среде без
затухания и аномального скачка давления на входе в керн. Ви-
димо, молекулы высокомолекулярной части полимера имеют
такой размер, который позволяет им, не забивая торца керна,
свободно перемещаться в пористой среде, но сильно увеличивая
при этом сопротивления фильтрации.
Закачка воды после растворов гидролизованного ПАА пока-
зала, что вода течет, как псевдопластическая жидкость. Однако
в данном случае псевдопластичность предопределяется адсорби-
рованным или механически удержанным пористой средой поли-
мером. На рис. 15 даны зависимости отношения подвижностей
воды, закачиваемой в керн после полимера. Влияние молекуляр-
ной массы и полидисперсности здесь такое же, как и при фильтра-
ции раствора ПАА.
Интересный результат получен при фильтрации дистиллиро-
ванной воды после ПААР. Снижение подвижности для воды
оказалось выше, чем для раствора полимера. Аналогичен резуль-
тат и при фильтрации промышленных образцов высокомолеку-
лярных гидролизованных ПАА.
Объясняется это, видимо, тем, что промышленные образцы
и ПААР содержат в своем составе определенное количество солей,
в том числе и акрилаты кальция. Это приводит к частичному
подавлению полиэлектролитного набухания макромолекул. При
фильтрации же дистиллированной воды после этого полимера
степень диссоциации адсорбированных макромолекул повышается
в результате вымыва противоионов и сопутствующих ионов из
клубка. Поэтому повышается полиэлектролитиое набухание ад-
сорбированного полимера. Снижение общей концентрации ПА.А
в пористой среде также способствует набуханию. Все это приводит
к снижению подвижности дистиллированной воды.
Необходимо отметить, что прокачка дистиллированной воды
после полимера Пушер-500 дала псевдопластическое течение.
Когда вслед за дистиллированной водой стали закачивать 2%-пый
раствор NaCl, получили дилатантный режим (рис. 16, кривая 4).
Под действием NaCl адсорбированные молекулы полимера, пред-
ставляющие собой разбухшие глобулы, свернулись в плотные упру-
гие клубки. Далее действовал механизм дилатантного течения.
В связи с тем, что свойства растворов гидролизованных ПАА
сильно зависят от растворителя, большой практический интерес
представляло исследование фильтрационных характеристик этих
полимеров в растворах, содержащих соли. На рис. 16 показано''
изменение фильтрационных свойств растворов гидролизованного
гомополимера молекулярной массы 3,9-106 и степени гидролиза
37
таблица 7
РАСТВОРЫ ГИДРОЛИЗОВАННЫХ ГОМОПОЛИМЕРОВ
И ПРОМЫШЛЕННЫХ РЕАГЕНТОВ В 2%-НОМ РАСТВОРЕ NaCl.
КОНЦЕНТРАЦИЯ ПОЛИМЕРА 0,05% (ЧЕТВЕРТАЯ СЕРИЯ ОПЫТОВ)
Реагент
а
О)
S
о
К
1
2
3
4
5
6
Гомополимер
№ 17
ПАА № 54
ПАА № 54
ПААР
Пушер-500
ПАА № 24
6,0 2,6 0,40
7,8
8,4
7,2
7,8
7,4
2,5
2,5
5
4,9
2,6
1,6-2,5
2,3—2,6
3,6-9,0
1,9—18,9
3,4—20,0
5,5-9,6
1,0—1,6
1,3—1,5
1,6—4,0
1,7—10,9
1,7—10,2
2,3-4,1
1,3-1,5
1,2—1,2
1,2-1,3
1,3—1,7
1,9—3,8
2,4-3,0
20% в зависимости от количества хлористого натрия в растворе.
Опыт проведен с керном проницаемостью 0.5 Д. Кривая 1 пока-
зывает изменение снижения подвижности в зависимости от ско-
рости фильтрации раствора ПАА в дистиллированной воде.
Остальные кривые получены при разном содержании соли в рас-
творе. В зависимости от минерализации растворителя наблюдается
постепенный переход от псевдопластического течения к ньютонов-
скому (кривая 3), а затем к дилатантному. Фактор сопротивления
при этом снижается и весьма значительно.
Основные физико-химические свойства 0,05%-ных растворов
гидролизованных ПАА в 2%-ном растворе NaCl даны в табл. 7,
а на рис. 17 помещены кривые течения этих растворов в пористой
среде. Присутствие соли в растворителе коренным образом изме-
нило характер течения по сравнению с растворами этих ПАА
в дистиллированной воде. Вместо псевдопластичности мы видим
дилатансию. Но факторы, влияющие на величину снижения
подвижности, остались те же: "молекулярная масса степень гидро-
лиза, степень полидисперсности, проницаемость пористой среды.
Действительно, влияние молекулярной массы видно из срав-
нения фильтрационных характеристик растворов ПАА № 24
и № 54 (кривые 3 и 4), влияние степени гидролиза из сравнения
кривых 2 и 3 (ПАА № 54), влияние степени полидисперсности
из сравнения кривых течения ПААР и ПАА № 54 (кривые 5 и 2).
Комментарии здесь аналогичны приводимым выше. На рис. 18
представлены результаты, полученные при прокачке 2%-ного
раствора NaCl после фильтрации растворов ПАА. Характер тече-
ния остался таким же, как был для растворов ПАА, но степень
снижения подвижности стала меньше, особенно при больших
38
Истинная спорость,м/сут
Рис. 16. Фильтрация в пористой
среде растворов гидролизованного го-
мополимера в различных раствори-
телях:
1 — в дистиллированной воде; 2 — в
0,05%-номрастввореNaCl; 3—в о.25%-ном
растворе NaCl; 4 — в 0,5%-ном растворе
NaCl; 5 — в 2%-ном растворе NaCl
Рис. 17. Фильтрация растворов по-
лимеров в 2%-ном растворе NaCl:
3 — гомополимер № 17; 2 — гомополимер
ЛЬ 54, Г=5%; 3 — то же, Г=20%; 4 —
гомополимер № 24; 5 — ПААР; 6 — Пу-
шер-500
Рис. 18. Фильтрация 2%-ного рас-
твора NaCl после прокачки рас-
творов полимеров:
1 — ПАА ЛЬ 54, Г—20%; 2 — гомополи-
мер № 17; 3 — ПААР; 4 — ПАА № 24;
5 — Пушер-500
18
скоростях фильтрации. Таким образом, присутствие в раствори-
теле соли NaCl оказало большое влияние на фильтрационные
свойства полимеров. В промысловых условиях растворы поли-
меров готовят на водах самого различного минерализованного
состава. Поэтому в каждом конкретном случае необходимо про-
водить исследования полимеров, приготовленных на конкретном
растворителе. Одинаковый характер течения растворов гомо-
полимеров в дистиллированной воде и гидролизованных поли-
меров в 2%-ном растворе NaCl объясняется тем, что и в том,
и в другом случае макромолекула полимера представляет собой
упругий клубок. Механизм процессов фильтрации в обоих слу-
чаях одинаков.
Все приведенные выше результаты получены при фильтрации
через керны без остаточной нефтенасыщенности. С практической
точки зрения очень важно выяснить, как влияет присутствие
нефти в пористой среде на фильтрационные свойства растворов
полимеров. Для этого провели пятую серию опытов с различными
полимерами.
39
ТАБЛИЦА 8
РАСТВОРЫ ГИДРОЛИЗОВАННЫХ ПАА В РАЗЛИЧНЫХ РАСТВОРИТЕЛЯХ.
КОНЦЕНТРАЦИЯ ПАА —0,05%
(ФИЛЬТРАЦИЯ ЧЕРЕЗ НЕФТЕНАСЫЩЕННЫЕ КЕРНЫ.
ПЯТАЯ СЕРИЯ ОПЫТОВ)
Номер опыта Реагент Молекушрнан масса М 1 О’ Степень гидроли- за, % И Степень полидис- персностп растворитель Проницаемость керна, Д Отношение под- вижностей воды и раствора ПАА Фактор сопро- тивления Остаточный фактор соиротивленип
1 ПАА 3,4 19 7,0 — 2% -нып раствор NaCl 0,39 6,9— 11,3 3,8—6,3 1,3
2 ПАА № 17 3,4 20 8,9 2,6 Дистил- лирован- ная вода 0,49 24-7,0 4,2—1,2 1,4—1,2
3 ПААР 3,4 8 7,2 5 2% -ный раствор NaCl 0,32 2,1- 10,0 1,2-5,8 —
4 Пушер-500 3,1 32 7,8 4,0 То же 0,30 2,5— 10,4 1,3-6,3 1,7—1,9
Искусственно сцементированные керны длиной 22 см насы-
щали моделью нефти (смесь нефти Сосновского месторождения
с керосином). Сначала нефть вытесняли водой, на которой гото-
вили раствор полимера до 100%-ной обводненности, а затем
закачивали раствор полимера при различных скоростях до полу-
чения установившегося режима фильтрации на каждой скорости.
Фильтрационную характеристику раствора полимера на разных
скоростях определяли при одинаковой остаточной нефтенасыщен-
ности (25—30%).
Основные физико-химические свойства исследованных поли-
меров, даны в табл. 8.
На рис. 19 приведены кривые снижения подвижности в зави-
симости от скорости фильтрации для растворов ПАА различной
концентрации (0,01—0,05%) в 2%-ном растворе NaCl. Режим
течения дилатантный, величина снижения подвижности суще-
ственно зависит от концентрации раствора. Минерализованная
вода, закачиваемая после раствора ПАА, течет, как дилатантная
жидкость. Присутствие в пористой среде нефти качественно не
изменило фильтрационных свойств полимера.
На рис. 20 приведены фильтрационные характеристики раз-
личных растворов ПАА в нефтенасыщенпом и чистом керне.
Режим течения для них псевдопластический. Таким образом,
и в этом случае наличие в пористой среде нефти качественно не
повлияло на фильтрационные свойства этого полимера.
40
Сопоставление кривых течения растворов полимеров в нефте-
насыщенных кернах с кривыми, полученными при фильтрации
без нефти, показывают, что в первом случае фильтрационные
сопротивления значительно выше, чем во втором. Особенно велика
разница при больших скоростях.
Обобщая результаты исследований фильтрационных и реоло-
гических свойств растворов полимеров в пористой среде, можно
сделать некоторые выводы относительно механизма процессов,
происходящих при этом.
На характер течения раствора полимера оказывают влияние:
сдвиговая вязкость, упругие свойства макромолекул и ассоци-
атов; адсорбция и механическое улавливание полимерных частиц
пористой средой. Каждый из перечисленных факторов, в свою
очередь, зависит от целого ряда условий: от свойств полимера,
растворителя и пористой среды и, самое главное, от скорости
фильтрации. При течении полимеров в пористой среде все фак-
торы действуют одновременно, но доля участия каждого из них
различна. Суммарный эффект определяет наблюдаемый характер
течения. На основе этого положения легко объяснить приведенные
выше результаты.
Рис. 19. Фильтрация в нефтенасы-
щенной пористой среде растворов
ПАА в 2%-ном растворе NaCl при
концентрации полимера в раство-
ре, %:
7?— 0,01; 2 — 0,0.3; 3 — 0,04; 4 — 0,05;
5 — фильтрация 2%-ного раствора NaCl
после растворов полимера
Рис. 20. Фильтрация растворов полимеров в пористой среде без нефти
и с остаточной нефтенасыщенностыо.
Фильтрация в пористой среде с остаточной не(фтенасыщенностью:
1,— гидролизованный гомоиолимер № 17 I', 2', з' — фильтрация в пористой среде
в дистиллированной воде; 2 — ПААР; без нефти тех же растворов полимеров
3—Шушер-500 в 2%-ном растворе NaCl; соответственно
41
Рассмотрим механизм процессов, происходящих при фильтра-
ции растворов гомополимеров в пористой среде, а также воды,
закачиваемой вслед за полимерами.
Макромолекулы пегидролизованного гомополимера акрил-
амида в дистиллированной воде должны представлять собой слегка
набухшие глобулы, форма которых, как показали наши иссле-
дования, близка к эллипсоидальной. Тогда на капилляре такие
растворы проявляют слабовыраженную псевдопластичность, об-
условленную ориентационными эффектами, на что может
оказать влияние разрушение ассоциатов с ростом скорости,
наличие которых предполагалось даже в разбавленных рас-
творах.
Учитывая, что все приготовленные растворы гомополимеров
имели слабокислую среду, следует полагать, что вследствие
проявления водородных связей клубки макромолекул будут
достаточно плотными и упругими.
Для гомополимеров низкой молекулярной массы (до 2-106)
ньютоновский характер течения в широком диапазоне скоростей
(от скоростей, близких к нулю, до 12 м/сут) объясняется весьма
слабым проявлением всех факторов, которые обеспечивают не-
ньютоновский режим фильтрации. Действительно, адсорбция
этих полимеров в данной пористой среде мала, небольшой размер
компактных полимерных частиц (порядка 150—200 нм) обеспе-
чивает свободную их фильтрацию без забивания керна. Зависи-
мость сдвиговой вязкости от скорости, как показали вискози-
метрические измерения, очень незначительна. Следовательно,
факторы, которые предопределяют псевдопластический характер
течения, проявляются слабо. Малый размер макромолекулы
позволяет ей пройти через сужение пор, не деформируясь или
претерпевая лишь незначительную деформацию. Это означает,
что затраты энергии на эффект упругости невелики. С увеличением
скорости фильтрации возрастают упругие деформации макро-
молекул в сужениях пор, что приводит к дополнительной затрате
энергии и росту вязкости.
С ростом молекулярной массы гомополимеров увеличивается
размер молекул. Методом светорассеяния был определен средний
квадратичный размер клубка в трех взаимно перпендикулярных
направлениях для некоторых образцов гомополимеров. Определе-
ния проводили в 2%-ных растворах NaCl. Размер по наибольшей
оси при изменении молекулярной массы от 3,5-106 до 5,0-106
менялся от 336 до 500 нм. Увеличение размера макромолекул
усиливает влияние всех факторов, определяющих характер тече-
ния. Прежде всего начинают проявляться упругие свойства
макромолекул. Энергия, затраченная на их деформацию в узком
канале, переходит в теплоту при выходе в расширение поры,
и для прохождения следующего сужения необходимо вновь за-
тратить энергию на деформацию макромолекулы.
Повышение молекулярной массы увеличивает потери полимера
из раствора при его фильтрации в пористой среде в результате
механического улавливания.
Как отмечено выше, вода, закачиваемая после фильтрации
гомополимеров, течет, как дилатантная жидкость. Подобное
явление наблюдал и Берчик [70, 71], который объяснял дила-
тансию увеличением кажущейся вязкости раствора полимера
в результате распрямления адсорбированных полимерных частиц
под действием градиента скорости. По мнению Берчика, более
50% дилатансии при фильтрации раствора полимера обеспечивает
адсорбированная его часть. На наш взгляд, механизм дилатант-
ного течения воды в данном случае может быть объяснен по-
другому. Адсорбированные или механически уловленные пори-
стой средой молекулы гомополимера большой молекулярной
массы могут ощутимо снизить сечение каналов фильтрации. При
малых скоростях закачки воды характер течения будет ньютонов-
ским, так как деформация молекул слишком мала, чтобы заметно
повлиять на процесс фильтрации. Увеличение скорости приводит
к деформации полимерных частиц, удержанных пористой средой.
Однако силы, приложенные к частице в процессе фильтрации,
непрерывно меняются. При уменьшении сил, действующих на
частицу, она релаксирует. Непрерывная смена упругой деформа-
ции и ее релаксации приводит к превращению энергии из одного
состояния в другое, что макроскопически проявляется в дила-
тантном характере течения. Для гомополимеров с малой моле-
кулярной массой этот эффект ослаблен меньшим размером макро-
молекул, а также более низким значением модуля нормальных
напряжений.
Гидролизованные полимеры имеют псевдопластический харак-
тер течения. Гидролиз приводит к образованию полиэлектролита.
В дистиллированной воде благодаря ионизации между мономер-
ными звеньями возникают силы электростатического отталкива-
ния, что приводит к развертыванию клубков и увеличению их
линейных размеров (полиэлектролитное набухание). Разбухшая
молекула делается рыхлой, ее упругие свойства теряются. Она
легко деформируется, но медленно релаксирует. Вязкость таких
растворов намного выше вязкости аналогичных, но не гидролизо-
ванных полимеров. Понятно, что упругие эффекты при фильтра-
ции таких растворов в пористой среде будут выражены слабо,
несмотря на то, что размеры молекул возросли по сравнению
с негидролизованными полимерами. Таким образом, превалиру-
ющими факторами в процессе фильтрации, видимо, являются
вязкость, зависящая от скорости сдвига, адсорбция и механи-
ческое удерживание. При малых скоростях фильтрации вязкость
раствора высокая и, кроме того, крупные полимерные частицы
могут застревать в сужениях пор, снижая проницаемость пори-
стой среды. Поэтому фильтрационные сопротивления будут высо-
кими. С увеличением скорости в силу ориентационных эффектов
сдвиговая вязкость снижается, и ранее неподвижные крупные

полимерные частицы проталкиваются через сужения пор. В ре-
зультате подвижность раствора полимера увеличивается.
Как уже отмечалось, вода после раствора ПАА проявляет
псевдопластические свойства из-за адсорбированных или меха-
нически удержанных пористой средой молекул полимера.
Для выяснения степени влияния адсорбированной части поли-
мера на характер течения были поставлены специальные опыты,
в которых использовали раствор ПАА (М = 1,6-106; Г = 30,7%)
в дистиллированной воде. Предварительно раствор очищали
фильтром Шотта № 4.
Керн проницаемостью 1,35 Д и длиной 22 см насыщали ди-
стиллированной водой, которую вытесняли 0,05%-ным раствором
ПАА при постоянной истинной скорости движения 6,2 м/сут.
После установления режима фильтрацию последовательно про-
водили при меньших скоростях.. Во всех случаях подвижность
измеряли после достижения установившегося режима. Результаты
опытов приведены на рис. 21, из которого видно, что при малых
скоростях характер течения псевдопластический, который затем
переходит в дилатантный (кривая 7).
Затем раствор ПАА вытесняли дистиллированной водой при
истинной скорости 0,196 м/сут. После установления режима,
когда давления по всей длине керна стабилизировались и из него
выходила чистая вода (что контролировали капиллярным вискози-
метром непрерывного действия и анализом проб вытекающей
жидкости), приступали к фильтрации на более высоких скоростях.
При этом наблюдали некоторый дополнительный вынос полимера.
Результаты даны на рис. 22, кривая 2. К концу этого цикла через
керн прошло более 200 поровых объемов воды. Вынос полимера
к этому времени прекратился.
Далее воду последовательно закачивали при все уменьша-
ющихся скоростях (кривая 2). При этом полимер не выносился.
Таким образом, в результате выноса ПАА из керна на больших
скоростях фильтрации происходит увеличение подвижности воды,
особенно заметное при малых скоростях. Наблюдается гистерезис
кривых течения 2 и 2-
Влияние скорости на количество удержанного пористой средой
полимера подтверждается опытами (рис. 22). Эти кривые полу-
чены при фильтрации 0,06%-ного раствора ПАА через одинаковые
по проницаемости (0,55 Д) и пористости керны. При скорости
11,2 м/сут исходная концентрация на выходе достигается при
закачке примерно трех поровых объемов. При низкой скорости
фильтрации (0,196 м/сут) даже при прокачке шести поровых
объемов исходной концентрации на выходе не получено. В резуль-
тате количество полимера, удержанного пористой средой при
низких скоростях, оказывается большим, чем при высоких.
Проведенные исследования позволили сделать некоторые вы-
воды о механизме течения растворов ПАА в пористой среде.
При прокачке раствора ПАА через керн независимо от скорости
44
Рис. 21. Зависимость отношения
подвижностей от скорости фильтра-
ции:
1 — раствор ПАА, Af=l,6X10e, Г=30,7%;
2 и з — дистиллированная вода после
фильтрации раствора ПАА
Рис. 22. Изменение концентрации
ПАА в растворе на выходе из керна
(объем пор 15 см3) при различных
скоростях фильтрации, м/сут:
1 — 11,2; 2 — 0,196
Рис. 23. Зависимость отношения эф-
фективной к наибольшей ньютонов-
ской вязкости от скорости сдвига:
1 — 0,05%-яый раствор ПАА в дистилли-
рованной воле; 2 — 0,015 %-ный раствор
гидролизованного гомополимера № 72 в
дистиллированной воде; з — 0,05%-ный
раствор гомополимера № 72 в дистилли-
рованной воде; 4 — 0,05%-ный раствор
ПАА в 2 %-ном растворе NaCl; 5 —
0,05%-ный раствор гидролизованного го-
мополпмера № 72 в 2 %-ном растворе NaCl;
6 — 0,05%-ный раствор Пушер-500 в
2%-ном растворе NaCl; 7 — 0,01 %-ный рас-
твор Пушер-500 в дистиллированной во-
де; 8 — 0,05%-ный раствор Пушер-700
в 2%-ном растворе NaCl
фильтрации должно наступить динамическое равновесие между
количеством полимерных частиц, улавливаемых пористой средой
и уносимых потоком движущегося раствора. Это является усло-
вием установившегося режима фильтрации. Однако динамическое
равновесие на различных скоростях наступает при неодинаковом
количестве накопленного пористой средой полимера. При низких
скоростях это количество будет больше, чем при высоких. По-
этому снижение проницаемости керна для раствора полимера
при малых скоростях фильтрации будет более значительным, чем
при высоких, и повлечет за собой снижение подвижности рас-
твора.
С увеличением скорости фильтрации динамическое равновесие,
которое существовало раньше, нарушается. Более высокие напря-
жения сдвига увеличивают деформацию молекул полимера,
45
задержанных пористой средой, а возросшие градиенты давления
проталкивают ранее неподвижные полимерные частицы. Дефор-
мированные молекулы ориентируются по потоку, что приводит
к увеличению сечения фильтрационных каналов, т. е. к возраста-
нию просветности и уменьшению затрат энергии на преодоление
вязкого сопротивления воды, возникающего из-за ее трения
о стенки каналов и сегменты макромолекул. Все это приводит
к увеличению подвижности с ростом скорости, т. е. к псевдо-
пластичности.
Такой механизм действует до какой-то определенной скорости.
Начиная с этой скорости, наступает динамическое равновесие,
мало зависящее от скорости фильтрации. Тогда в зависимости
от вязкоупругих свойств текущего раствора полимера можно
наблюдать переход псевдопластического течения в ньютоновское
или дилатантное. Мерой упругих свойств является величина
нормальных напряжений при данной скорости сдвига. Поэтому
для полимерных систем чрезвычайно важно знать величину этого
параметра, определение которой экспериментально довольно
i трудно, особенно для разбавленных растворов полимеров.
Для определения величины нормальных напряжений, возни-
кающих при течении разбавленных растворов полимеров, нами
использована методика А. Я. Малкина [33], который предложил
простой метод расчета нормальных напряжений <т (у) по каса-
тельным.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕЛИЧИНЫ НОРМАЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
ПРИ ТЕЧЕНИИ РАЗБАВЛЕННЫХ РАСТВОРОВ ПОЛИМЕРОВ
В основу расчета зависимости нормальных напряжений от
скорости сдвига по методу А. Я. Малкина положена зависимость
эффективной вязкости от скорости сдвига ц, (у), к которой предъ-
являются следующие требования: существование аномалии вяз-
кости и наибольшей ньютоновской вязкости или предельное зна-
чение вязкости н0 = Jim р0 (у) < оо, но при этом должно быть
равенство dp.3/dyo = O при у = 0. Используя указанную зависи-
мость, определяют величину начального коэффициента нормаль-
ных напряжений qp0 = lim (о/2у) по значению наибольшей ньюто-
новской вязкости н0 и скорости сдвига В, отвечающей началу
области аномально-вязкого течения. Точное значение ср0 находится
, 2 ц „2 п Цо
в пределах между <ро = —-Е-и Фо " ТТ-’ где п — пока-
затель степени в зависимости р = kygn, которой описывается
область аномалии вязкости непосредственно вблизи ее начала.
В работе [44] на основании сопоставления экспериментальных
и теоретических данных получена простая формула для опре-
деления начального коэффициента нормальных напряжений:
Фо = 0,36 £1. (3)
46
Погрешность, с которой рассчитываются значения <р0 по фор-
муле (3), не превышает +20%.
Зная фо, нетрудно определить коэффициент нормальных напря-
жений ф (у) для любых (не слишком больших) скоростей сдвига
по формуле: ф (у) = ф0 (ц/ц0)2. А. Малкиным показано [33],
что данное соотношение дает хорошие результаты далеко за пре-
делами малых скоростей сдвига (за пределами у, отвечающей
наибольшей ньютоновской вязкости).
Следовательно, зная зависимость ц (у) и коэффициент ф0,
можно вычислить ф (у) в широкой области скоростей сдвига.
Величина нормальных напряжений в зависимости от скоростей
сдвига о (у) определяется из выражения
о(у) = 2ф (у)2 = 2ф0 (-М2 у2-
\ Н'О /
(4)
Начальный коэффициент нормальных напряжений связан
с равновесным модулем эластичности Go в линейной области
соотношением
(5)
Характерное время релаксации нормальных напряжений вяз-
коупругой системы может быть получено с определенной погреш-
ностью из уравнения
~ М (у) ’
Используя описанную методику А. Я. Малкина, мы опре-
делили значения нормальных напряжений о (у), время релакса-
ции Тред и равновесный модуль эластичности Go для растворов
некоторых промышленных образцов ПАА (ПАА, Пушер-500 и 700),
а также для гомополимера акриламида, полученного в лабора-
тории.
Основные физико-химические характеристики исследованных
полимеров помещены в табл. 9.
Исследования зависимости эффективной вязкости от скорости
сдвига были проведены на капиллярном вискозиметре постоянного
расхода. Эффективную вязкость рассчитывали из соотношения
= т/у, где скорость сдвига определяли из консистентных пере-
менных Ф и т по формуле Муни-Рабиновича (2).
Зависимость отношения эффективной к наибольшей ньютонов-
ской вязкости от скорости сдвига для исследованных растворов
ПАА приведена па рис. 23. Эту зависимость использовали для
расчета интересующих пас компонент тензора напряжении:
Зависимость касательных и нормальных напряжений, от. ско-
рости сдвига для исследованных растворов ПАА даны па рис. 24.
ТАБЛИЦА 9
РЕОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАСТВОРОВ ПОЛИМЕРОВ
Скорость сдвига, с-1 Касательное напряжение, дни/см2 Нормальное напряжение, ДНИ/СМ2 Время релак- сации, с Касательное напряжение, дин/см2 Нормальное напряжение, дин/см2 Время релак- сации, с
0,05% -ный раствор гомополпмера № 72 0,05%-ный раствор гпдролпзо-
в дистиллированной воде М — 2 10» ванного гомополпмера 72 в 2%-ном растворе NaCl Г = = 20% М= 2-106
0,74 0,012 0,002 0,085 0,019 0,003 0,089
1,84 0,027 0,008 0,077 0,041 0,012 0,078
4,59 0,058 0,035 0,066 0,077 0,041 0,058
11,49 0,126 0,165 0,057 0,156 0,169 0,047
28,72 0,313 0,864 0,052 0,355 0,874 0,043
71,80 0,692 4,970 0,052 0,730 3,711 0,035
0,05%-ный раствор Пушер-500 в 2% -ном 0,01%-ный раствор Пушер-500
растворе NaCl, М = 4,6 106, Г = = 32% в дистиллированной воде, М = 4,6-106 Г = 32%
0,74 0,017 0,005 0,211 0,048 0,001 0,014
1,84 0,033 0,020 0,161 0,121 0,006 0,014
4,59 0,064 0,074 0,121 0,299 0,037 0,013
11,49 0,138 0,338 0,108 0,704 0,206 0,013
28,72 0,316 1,775 0,091 1,292 0,691 0,093
71,80 0,650 7,701 0,076 1,952 1,536 0,055
Обращает на себя внимание то обстоятельство, что в растворах
NaCl полимерная система обладает более ярко выраженными
упругими свойствами, чем в дистиллированной воде. О степени
проявления упругих свойств можно судить по отношению ст/т,
которое является мерой обратимой упругой деформации, так как
упругая деформация уг ~ <у/т.
Зависимость о7т от скорости сдвига уе приведена на рис. 25.
Сравнение этого отношения для растворов ПАА в дистиллирован-
ной и минерализованной водах при одной и той же скорости сдвига
показывает, что в первом случае <т/т на порядок меньше, чем во
втором. Например, для раствора реагента Пушер-500 в дистил-
лированной воде при у = 1 с-1 о7т = 0,04, а для раствора этого
реагента в соленой воде о/т = 0,33. Еще большее различие отно-
шения о/т для растворов Пушер-700 в 2%-ном растворе NaCl
и раствора ПАА в дистиллированной воде.
При той же скорости сдвига у — 1 с-1 отношение для первого
раствора составляет 0,7, а для второго — 0,02. При скорости
сдвига у = 10 с-1 отношение а/т соответственно равно 3,0 и 0.2.
Не менее показательным в этом отношении является величина
48
Отношение нормальных напряжений
к касательным, б/ f
Рис. 25. Зависимость отношения нор-
мальных напряжений к касательным
от скорости сдвига для растворов
различных полимеров.
Обозначения то же, что и на рис. 23
Рис. 24. Зависимость касательных и нормальных напряжений от скорости
сдвига для 0,05%-ного раствора ПАА:
а1? тх — нормальные и касательные на- о2 т2 — то же, в 2%-ном растворе NaCl
пряжения растворов ПАА в дистиллиро-
ванной воде;
критической скорости сдвига (yj. при которой реализуется усло-
вие а = т. Естественно, что упругие свойства системы проявляются
тем ярче, чем меньше значение скорости сдвига, при котором
выполняется условие о = т. (Значения этого параметра для
исследованных растворов см. табл. 9.)
В пористой среде, представляющей собой непрерывно изменя-
ющиеся по размерам и направлениям каналы фильтрации, степень
проявления упругих свойств закачиваемого раствора ПАА должна
сильно влиять на его поведение.
Для подтверждения данного предположения были проведены
опыты по фильтрации в пористой среде тех же растворов полиме-
ров, что и при вискозиметрических исследованиях упруговязких
свойств. Диапазон изменения скорости сдвига при фильтрации
в пористой среде составлял 1,1—46,6 с"1 (табл. 10), а при вискози-
метрических исследованиях у = 0,74—164,00 с*1.
Среднюю скорость сдвига в пористой среде определяли по урав-
нению
Y
I
(6)
49
ТАБЛИЦА 10
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ И РЕОЛОГИЧЕСКАЯ
ХАРАКТЕРИСТИКА РАСТВОРОВ ПОЛИМЕРОВ,
ИСПОЛЬЗОВАННЫХ В ОПЫТАХ ПО ФИЛЬТРАЦИИ
Раствор полимера Концентрация, % Молекулирная масса М 10е Степень гидроли- за, % Скорость сдвига, соответствующая о = т Проницаемость по- ристой среды, Д Скорость сдвига, с-1 Время релаксации, с (7'рел^ Время пребыва- ния, с (/пр) Число Деборы ND
Гомополимер № 72 в 0,05 2,0 — 8,8 0,42 43,2 0,050 0,046 1,085
дистиллированной 8,6 0,060 0,230 0,261
воде 1,7 0,075 1,100 0,068
Гидролизованный го- 0,015 2,0 20 60,0 0,77 31,0 0,011 0,063 0,175
мополпмер № 72 в 6,1 0,014 0,315 0,044
дистиллированной воде 1,2 0,014 1,570 0,009 1,045
ПАА в 2% -ном раство- 0,05 1,5 30 8,8 0,40 43,3 0,047 0,045
ре NaCl 8,6 0,055 0,225 0,244
1,7 0,068 1,126 0,060
ПАА в дистиллирован- 0,05 1,5 30 54,0 1,00 27,3 0,010 0,072 0,136
ной воде 5,4 0,011 0,360 0,031
1,1 0,011 1,800 0,006
Пушер-500 в дистилли- 0.01 4,6 32 100,0 0,34 46,6 0,007 0,042 0,169
рованной воде 9,2 0,012 0,208 0,058
1,8 0,014 0,040 0,013
Пушер-500 в 2% -ном 0,05 4,6 32 4,0 0,51 38,2 0,088 0,051 1,726
растворе NaCl 7,7 0,123 0,255 0,483
1,5 0,170 1,275 0,133
Пушер-700 в 2% -ном 0,05 6,2 27 2,1 0,34 46,6 0,090 0,042 2,170
растворе NaCl 9,2 0,154 0,208 0.740
1,8 0,250 1,040 0.240
где v — истинная средняя скорость движения жидкости в поровых
каналах; т — пористость; R — средний радиус каналов; к —
проницаемость пористой среды; £ — коэффициент извилистости
поровых каналов.
Вполне понятно, что определение среднего радиуса поровых
каналов из уравнения Козени. а величины средней скорости
сдвига из уравнения (6), является приближенным. Однако оно
позволяет провести корреляцию данных, полученных на вискози-
метре и в пористой среде. Таким коррелирующим параметром
может служить величина скорости сдвига, при которой реали-
зуется условие в = т. По величине этого параметра можно судить
о степени проявления упругих эффектов при фильтрации в пори-
стой среде полимерной системы. Другим коррелирующим пара-
метром. как известно [78, 88], является число Деборы NTl =
= где Трс,,— время релаксации нормальных напряжений
50
Рис. 26. Зависимость отношения
подвижностей воды и растворов по-
лимеров от скорости сдвига при
фильтрации в пористой среде.
Обозначения те же, что и на рис. 23
упруговязкой системы; /пр — время пребывания полимерной ча-
стицы в сужении пор, определяется по формуле
z £ = 2У^2|//£/т 104.
11Р и V
Время релаксации определяли по методике А. Я. Малкина
(Все данные, относящиеся к опытам по фильтрации растворов
полимеров в пористой среде, даны в табл. 10, а на рис. 26 при-
ведены зависимости отношения подвижностей воды и растворов
ПАА от скорости сдвига при течении в пористой среде.)
Сопоставление данных, полученных на вискозиметре, с ре-
зультатами фильтрации этих же растворов в пористой среде
показывает, что дилатантный характер течения следует ожидать
при скоростях течения, соответствующих условию у Дей"
ствительно, из рис. 26 видно, что во всех случаях дилатансия
проявляется в области скоростей сдвига, превышающих крити-
ческое значение ук, указанное в табл. 9.
Опыты позволяют также оценить величину критического числа
Деборы N'jj. В нашем случае упругие эффекты становятся ощу-
тимыми при превышении критического значения числа Дебора,
равного 0,25.
Анализ экспериментальных данных показывает, что для всех
растворов гидролизованных ПАА в дистиллированной воде иссле-
дованный диапазон скоростей сдвига намного ниже у|(, а число
Деборы в данном диапазоне скоростей значительно меньше 0,25.
Это означает, что при фильтрации растворов ПАА слабо про-
являются упругие свойства, поэтому здесь следует ожидать ньюто-
новский или псевдопластический характер течения. По мере
увеличения скорости закачки раствора гидролизованпого ПАА
51
псевдопластичность может смениться дилатантным характером
течения. Это наблюдается при достижении критических значений
скорости сдвига и числа Деборы. Можно ожидать перехода к дила-
тантному режиму и во всех остальных случаях.
Таким образом, не обязательно проводить трудоемкие опыты
по фильтрации; достаточно по результатам вискозиметрических
исследований установить зависимость нормальных и касательных
напряжений от скорости сдвига, а также критические значения
и числа Деборы. Количественная оценка изменения подвижности
раствора полимера в зависимости от скорости сдвига сильно
затруднена адсорбционными процессами и механическим улавли-
ванием полимерных частиц пористой средой, поскольку течение
растворов полимеров В' вискозиметрах не чувствительно к ад-
сорбционным свойствам ПАА.
Глава II
ФИЛЬТРАЦИОННАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВОДЫ,
ЗАГУЩЕННОЙ ПОЛИМЕРАМИ
ЗАКОН ФИЛЬТРАЦИИ АНОМАЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ
И НЕРАВНОВЕСНЫЕ ЭФФЕКТЫ
Для аномальной жидкости закон Дарси нарушается. Элементар-
ные акты на капиллярных моделях пористых сред позволяют
видеть качественную связь между реологическими и фильтра-
ционными аномалиями. Вид зависимости между‘перепадом давле-
ния и скоростью фильтрации аналогичен зависимости между
касательным напряжением в поровом пространстве (т) и скоростью
сдвига (у). Средние значения этих величин оцениваются так:
тср «=»в?|grad(7)
YcP~^. (8)
где d — характерный размер пор среды,
со — скорость фильтрации.
Принимая, что отмеченные величины связаны между собой
так же, как соответствующие величины при реологических изме-
рениях, закон фильтрации можно представить в виде:
Ар _ Г / о \ с = const. (9)
Дж d \ d J ’ ' '
Приведенное рассуждение позволяет прогнозировать характер
фильтрационных аномалий нелинейно вязких жидкостей. Есте-
ственно, что для прогнозирования необходимо иметь реологи-
ческие кривые в области скоростей сдвига (у), наблюдаемых
в пористой среде. Если со = 10-4 см/с, d = 10~3 см, то у = a>/d
КУ1 1/с.
Экспериментальные данные находятся в хорошем качественном
согласии с рассчитанными по соотношению (9). Результаты экспе-
риментальных исследований по определению зависимости между
расходом жидкости (Q) и перепадом давления (Ар) для фильтра-
ции модельной вязкопластичной жидкости в средах с разной
проницаемостью показывают, что указанные зависимости не
проходят через начало координат, т. е. характеризуются началь-
ным (предельным) градиентом давления (G).
53
(Ю)
Одна из важных аналитических зависимостей закона фильтра-
ции для рассматриваемого случая имеет вид
и = —— grad р (1 —j—; G I grad р I
р 6 | grad р | / ’ 16 1
св = 0; G | grad р |.
Закон (10) может быть применен для описания некоторых
случаев движения структурирующихся жидкостей, например тя-
женых нефтей. В соответствии с этим законом движение жидкости
прекращается при малых (меньших предельного) значениях гра-
диента давления.
Ввиду наличия начального градиента давления внутри пласта
образуются зоны неподвижной нефти — застойные зоны, что
существенно влияет на полноту извлечения нефти.
Анализ размерностей позволяет оценить порядок начального
градиента давления по известному предельному напряжению
сдвига (т0) и размеру (d), т. е. G x0/d. На процесс разработки
величина начального градиента давления оказывает ощутимое
влияние при изменении его в пределах (10-2—10'1) кгс/см2-м.
Принимая d = 10“3 см, нетрудно убедиться, что даже такие малые
значения т0 (0,1 —1,0 дин/см2) приводят к значительным началь-
ным градиентам давления. Отмеченные значения предельного
напряжения сдвига могут быть связаны как с физико-химическими
свойствами жидкостей, так и возникать в результате взаимодей-
ствия жидкости с пористой средой. Например, вода имеет ано-
мальные свойства фильтрации в пористой среде с глинистыми
частицами.
Для жидкостей, подчиняющихся «степенной» реологической
модели, степенной закон фильтрации может быть записан так:
grad/? = —(11)
(С — const).
Степенной закон (11) подтверждается результатами опытов
по фильтрации полимерных растворов, не проявляющих вязко-
упругие свойства.
При вязкоупругих жидкостях использование результатов ви-
скозиметрических измерений не описывает характер движения
во всем интервале.
Вязкие силы, обусловливающие сопротивление, являются ре-
шающим фактором лишь в области малых скоростей фильтрации
и заметно снижаются с ее увеличением. При этом преобладающую
роль начинают играть уже упругие силы, так как жидкость не
успевает релаксировать при переходе из одной поры в другую.
Это приводит к увеличению эффективной вязкости, так как фактор
сопротивления с увеличением скорости возрастает быстрее, чем
скорость фильтрации. Доказано, что увеличение относительного
сопротивления при увеличении скорости фильтрации пропорци-
онально величине [1 + 10 (aQ/d)2], где 0 — время релаксации.
Таким образом, закон фильтрации для скоростей, при которых
начинает увеличиваться сопротивление, можно записать в виде
+ (12)
Описанное расхождение между измерениями в капиллярах
и в пористой среде можно проиллюстрировать на опытах Добена,
описанных в [72]. __
Однако на процессы, происходящие в пористой среде, влияет •
целый ряд явлений. Некоторые из них в той или иной степени
изучены, а другие находятся на стадии изучения. К последним
относятся неравномерные эффекты, происходящие при фильтра-
ции вязкоупругих жидкостей (например, растворы высокомоле-
кулярных полимеров, ряд нефтей, взвеси коллоидных частиц
и т. д.) в пористой среде. В этом случае вследствие адсорбционных
процессов, механического удержания в сужениях пор молекул
жидкости или какого-либо другого обменного процесса происходит
изменение свойств жидкости и породы (обратимое или необрати-
мое), иногда довольно существенное. Например, по мере движения
нефти от контура к забою скважины происходит осветление ее,
а также ухудшение коллекторских свойств пласта вследствие
адсорбционных процессов. Другим примером может служить
фильтрация полимерных растворов. С самого начала движения
через породу при постоянном перепаде давления расход умень-
шается вследствие адсорбционных процессов и механического
удержания молекул. Если фильтрацию приостановить на не-
которое время, а затем возобновить, то расход жидкости в первое
время будет больше, чем до остановки. Причем это увеличение
расхода (или снижение сопротивления движению) тем больше,
чем длительнее была остановка. Далее расход вновь уменьшается.
Если после этого через пористую среду пропустить воду, то про-
ницаемость породы по воде будет значительно ниже, чем до филь-
трации полимера. Это говорит о том. что пористая среда удержи-
вает определенное количество полимерного материала, изменя-
ющего фильтрационные свойства пласта. Указанное явление
описано в [5, 6| и подтверждено экспериментально [42]. Объяс-
няется оно неравновесностью потока вязкоупругой жидкости
и может быть проиллюстрировано следующим образом.
Предположим, что через пористую среду фильтруется суспен-
зия частиц малых размеров в вязкой жидкости с большим време-
нем релаксации. Будем считать размер этих частиц сопоставимым
с размером пор пли, во всяком случае, не на много меньшим. Под
действием деформаций, которым подвергается частица во время
движения, опа постепенно твердеет с определенным временем
затвердевания, равным времени релаксации частиц, а не суспен-
зий. Причем в начале движения частица движется вместе с жидко-
стью и постепенно затвердевает, затем она закрепляется на поверх-
ности породы или закрывает проход между зернами породы.
Однако по прошествии какого-то времени, имеющего порядок
времени релаксации частицы, она проталкивается сквозь пору,
а ее место занимает другая частица. Таким образом, между части-
цами, запирающими сечение и срывающимися из них, устанавли-
вается динамическое равновесие. Затвердевание частиц и есть
одна из причин уменьшения расхода. Во время прекращения
фильтрации частицы начинают релаксировать, и жидкость воз-
вращается к исходному состоянию.
Отметим, что сделанное предположение о фильтрующейся
жидкости как о суспензии вязкоупругих частиц со сравнительно
большим временем релаксации в вязкой жидкости является
простейшим, условным и необязательным. Для принятой схемы,
на самом деле, роль частиц могут играть области с повышенной
прочностью межмолекулярных связей. Более того, возможны
ситуации, когда сами вязкоупругие частицы являются динами-
ческими образованиями, формирующимися в зауженных местах
породы при движении потока и разрушающимися при оста-
новке его.
Вышесказанное и выводы, сделанные в [5, 6], дают возмож-
ность предложить простейшую теорию явления.
Рассмотрим фильтрацию однофазной вязкоупругой жидкости
в пористой среде, описываемую законом Дарси в виде
со — С grad р, (13)
где С — коэффициент фильтрации, зависящий от градиента да-
вления.
Хотя жидкость и однофазна, активная насыщенность порового
пространства не равна единице, так как часть его занята затвер-
девшими вязкоупругими образованиями.
Поэтому кинетическое уравнение для коэффициента фильтра-
ции можно написать в виде
дС С — Се
dt ~ ~ е
(14)
где Се — равновесный коэффициент фильтрации,
Се
grad р
(15)
Равновесная скорость фильтрации (щ.) в уравнении (15) —
это скорость, которая установилась при определенном перепаде
давления за длительный период времени. Величина Се так же, как
и 0, зависит от модуля градиента давления. Таким образом, можно
предположить, что скорость «засорения» пористой среды пропор-
56
циональна отличию коэффициента фильтрации от равновесного.
Если жидкость несжимаема, то справедливо уравнение
divoj = 0. (16)
Отметим, что, придерживаясь схемы, описанной в [6], следо-
вало бы записать кинетическое уравнение и закон Дарси в виде
_______$1 —Sje /J7\
dt ~ 0 №, I grad p | ’ ' ,
<в = С(51, | grad p f) grad p, (18)
где Sj и Sle — мгновенное и равновесное значение активной
насыщенности, которое устанавливается при постоянном гра-
диенте давления за длительный период времени. Остальные пара-
метры уравнений (17) и (18) определяются экспериментально.
Для определения давления и коэффициента фильтрации можно
воспользоваться системой уравнений
div (С grad р) = 0, = — С~^е- • (19)
Для одномерной фильтрации система уравнений (19) при-
нимает вид
^(с4)=°’<20>
Начальные и граничные условия для уравнений (20) следующие
р(0, /)=р2, p(Z, Z) = 7?i, С (х, О) = Со. (21)
При этом имеется в виду, что на границах пласта задано давле-
ние, а в начальный момент времени коэффициент фильтрации
имеет максимальное значение (Со), так как процесс «засорения»
пористой среды еще не начался.
При условиях (21) градиент давления не зависит от х. Инте-
грируя (20), получаем
C = Ce + (Co-Qexp(-Z/O). (22)
Из (22) и из закона Дарси можно получить выражение для
текущего фильтрационного расхода (q) при определенном пере-
паде давления:
? = <7е+(д0—7е)ехр(—Z/0) (23)
где qe и q0 — равновесный и начальный фильтрационные расходы.
Последнее равенство можно представить в виде
-in. == 4-
Qo Qe У
(24)
Для подтверждения теоретических положений, описанных
выше, были проведены специальные опыты. Исследовали
57
фильтрацию вязкоупругой нефти месторождения Зыбза (Красно-
дарский край).
Вязкость дегазированной нефти при 20° С составляла 8 X
X 104 сП. Нефть содержала 20,9% асфальтенов, 21,7% смол и
57,4% масел. В качестве пористой среды использовали люберец-
кий песок без глинистых примесей, проницаемость 8,5 Д (опыты
1—8) и стеклянные шарики со специальным покрытием, делающим
их гидрофобными по отношению к фильтрующейся жидкости.
Проницаемость этих шариков составляла 21 Д (опыты 9—13).
Перед началом экспериментов пористую среду и нефть тщательно
вакуумировали и под вакуумом насыщали пористую среду.
После насыщения до достижения равновесного его значения
при постоянном перепаде давления, равном 16 кгс/см2 в опытах 1 —
5 и 10 кгс/см2 в опытах 6—8, колонку перекрывали на входе
и выходе на некоторое время. Затем фильтрацию продолжали.
Так, в течение опыта фильтрацию прерывали несколько раз,
причем время остановки было произвольным — от нескольких
минут до нескольких суток. Кривые изменения расхода во времени
в первой серии опытов представлены в координатах q, t на рис. 27
и в координатах In (q0 — qe)l(q — qe), t на рис. 28, где <?0 соот-
ветствует расходу нефти в начале опыта, a qe — в конце опыта
(во всех опытах в конце наблюдалось выполаживание кривой,
что дает основание полагать, что достигнут равновесный расход).
Как видно из рис. 28, все экспериментальные точки в хорошем
соответствии с точками, рассчитанными по уравнению (24), до-
статочно удовлетворительно ложатся на прямые линии, имеющие
различный наклон.
Результаты второй серии опытов приведены на рис. 29, а, б.
Опыты проводили аналогично первой серии с той разницей, что
в опыте 10 фильтровали нефть, собранную за все время фильтра-
ции в опытах 1—9 (по приближенным подсчетам эта «собранная»
в различных опытах нефть проходила через колонку с песком
и стеклянными шариками не менее 50 раз). В остальных опытах
второй серии фильтровали ту же нефть после временного прекра-
щения фильтрации. Как видно из рис. 29, построенные зависи-
мости также хорошо согласуются с уравнением (24).
Поведение вязкоупругих нефтей изучали как во время филь-
трации, так и в статических условиях. Опыты проводили с высоко-
смолистой нефтью Ширванского месторождения (объединения
Азнефть). В колонку с пористой средой после тщательного ваку-
умирования подавали испытуемую жидкость. После того как
давление в колонке выравнивалось, закрывали вход и выход
в колонку и записывали показания манометров, которые фикси-
ровали монотонное снижение давления во времени.
М. Г. Азизовым были проведены экспериментальные исследо-
вания движения газированных жидкостей через пористую среду
при давлениях ниже давления насыщения. Обработка результатов
по вышеприведенной схеме дала удовлетворительные результаты.
58
г/мин
Рис. 27. Изменение расхода во вре-
мени при фильтрации нефти место-
рождения Зыбза с остановкой (опы-
ты 1—8)
Рис. 28. Приведенное изменение рас-
хода во времени в опытах 1—8
Для изучения влияния взаимодействия пористой среды с гази-
рованной жидкостью на процесс фильтрации при давлениях ниже
давления насыщения была проведена серия экспериментов на
традиционной лабораторной установке.
Моделью пористой среды служила смесь кварцевого песка
с глиной в равном соотношении, проницаемостью 0,3 Д. В каче-
стве исследуемой жидкости был взят керосин. По известной мето-
дике [59] приготовляли рекомбинированную смесь керосин ф-
+ природный газ (СН4 — 94,57%, С2Н6 — 2,79%, С3Н8 — 0,81%,
С4 + высшие — 0,59%) с газовым фактором 72 м3/м3. Давление
насыщения приготовленной смеси составляло 144 кгс/см2. После
насыщения пористой среды газированной жидкостью проводили
опыты по фильтрации газожидкостной смеси с периодическими
остановками (при t = 23° С). Давление на входе в колонку с по-
ристой средой поддерживали постоянным, равным 145 кгс/см2,
а на выходе устанавливали давление, равное 140 кгс/см2. После
установления расхода фильтрацию прекращали на некоторое
время, а затем возобновляли при том же перепаде. Результаты
эксперимента приведены на рис. 30, из которого видно, что вели-
чина расхода жидкости уменьшилась с 1,2-0,167 • 10"7 м3/с до
некоторой установившейся величины 0,02-0,167• 10'7 м3/с. При
59
О 10
О Ю 20

13
О 10 20
t,4
Рис. 29. Изменение расхода во вре-
мени при фильтрации нефти место-
рождений Зыбза в опытах 9—13 (а)
и приведенное изменение для тех же
опытов (б)
каждом возобновлении фильтрации (разрывы на оси соответствуют
временам остановок фильтрации длительностью соответственно 6
и 3 ч) начальный расход жидкости намного превышал расход,
установившийся до остановки.
Отмеченные скачки не могут быть объяснены изменением
фазовых проницаемостей при растворении газа, происходящем
при восстановлении давления после прекращения фильтрации.
Эксперимент, проведенный с остановками различной продолжи-
тельности, показал, что остановка на 1—2 ч не приводит к замет-
ному увеличению расхода при возобновлении фильтрации, хотя
за это время вновь происходит растворение газа [34]. Следова-
тельно, растворение газа не может быть определяющей причиной
увеличения расхода жидкости.
Оценим увеличение расхода после остановки за счет растворе-
ния газа при восстановлении давления в колонке на 5 кгс/см'2.
На кривой растворимости газа в керосине увеличение давления
на 5 кгс/см2 соответствует растворению газа в количестве 5 X
X 10-4 м3 при нормальных условиях, что составляет 3,5 - Ю 6 м3
в пористой среде. Поровое пространство колонки равно 2,5 X
X J0 4 м3, поэтому уменьшение содержания газа на 3,5-10"6м3
соответствует уменьшению насыщенности порового пространства
60
Рис. 30. Изменение расхода жидкости
во времени:
а — фильтрация до первой остановки;
б — возобновление фильтрации после 6-ч
остановки; в — возобновление фильтра-
ции после З-ч остановки
газом на S = 0,1. Из кривых фазовых пропицаемостей [36] изме-
нение насыщенности газом на 10% приведет к изменению расхода
на 30%, в то время как отмеченные скачки расходов в описанных
экспериментах на порядок больше.
Это явление объясняется своеобразной неравновесностью по-
тока газированной жидкости.
Газированная жидкость со свободным газом упрощенно пред-
ставлена в виде суспензии малых частиц с большим временем
релаксации в вязкой жидкости. Предполагается, что размеры
частиц сопоставимы с размером пор. Частица под действием
деформации, которой она подвергается при своем движении по
поровому пространству, постепенно запирает поры. Этот процесс
происходит в течение определенного характерного времени. Когда
фильтрационный поток прекращается, частицы начинают релакси-
ровать, и по истечении времени, равного времени релаксации
частиц, жидкость возвращается к исходному состоянию.
По формуле (23), были построены графики, аналогичные при-
веденным на рис. 28 и 29, которые показали, что эксперименталь-
ные точки хорошо согласуются с рассчитанными по уравнению (24).
Таким образом, приведенная выше схема явления находится
в согласии с результатами экспериментов и свидетельствует
о том, что растворенный газ дает такие же конкретные резуль-
таты, как и полимерные системы.
Экспериментальные исследования по вытеснению жидкостей
различными смесями с одинаковой вязкость показывают, что
коэффициент безводной нефтеотдачи при добавке газа значительно
больше, чем при добавке жидких растворителей нефти.
При решении задач нестационарной фильтрации через пори-
стые среды обычно за основу принимают закон Дарси, т. е. пред-
полагают. что равновесное состояние между градиентом давления
и скоростью достигается мгновенно. На самом же деле оно дости-
гается с некоторым запозданием, которое обусловлено: а) инерцией
скорости и запаздыванием его значения в зависимости от значения
градиента давления; б) релаксацией давления и запаздыванием
значения градиента давления в зависимости от значения скорости;
61
в) сложностью структуры пористой среды и запаздыванием уста-
новления равновесного состояния в его микропорах; г) запаздыва-
нием переупаковки частиц, вызывающей изменения пористости
и проницаемости и т. п.
Выявление эффектов, связанных с явлениями запаздывания,
следует учитывать при изучении фильтрации неньютоновских
нефтей, растворов полимеров, солей, эмульсий и др. Чтобы учесть
запаздывание скорости ы или давления р, в реологических урав-
нениях эти величины обычно [43] заменяют на ы + и p-f-
+ крр. В линейном приближении вместо закона Дарси будем
иметь уравнение
m + + (25)
dt р. \ дх 1 р дх dt ] ' ’
аналогичное реологическому уравнению жидкости Фрелиха и
Сакка [60], где и — время релаксации скорости и давления
соответственно.
Уравнение (25) при Z = 0 — это обобщение закона Дарси
с учетом инерционных членов. Обстоятельный его вывод, при-
веденный в [63], опирается на предположение, что вязкие силы
трения можно считать объемными. Нам представляется целесо-
образным писать инерционный член по аналогии с законом Дарси,
а время определять экспериментально.
При /.щ --- 0 уравнение (25) дает фильтрационный аналог
жидкости Максвелла [60], a — время релаксации давления.
Физический смысл его заключается в том, что если в заданной
точке остановить фильтрационное течение, то градиент давления
примет нулевое значение не сразу, а постепенно:
-g- = а ехр (-//%„), (26)
т. е. с точки зрения обычной ньютоновской жидкости максвеллова
жидкость продолжает «течь и после остановки течения».
При учете явлений запаздывания граничные условия для да-
вления при нестационарной фильтрации следует определить
из [43]. Например, если начать закачку в галерею с переменной
скоростью и = at, то градиент давления G на входе находят
из уравнения
a (t + М = - A (G + bpG), G (0) = 0. (27)
Время релаксации давления для маловязких чистых жидкостей
имеет порядок 10-1° с. Оно зависит от размеров молекул, возра-
стая при переходе от низших гомологов к высшим. У полимеров,
обладающих очень длинными молекулами, время релаксации
огромно. Релаксационные процессы перегруппировки цепных
молекул под воздействием внешних сил протекают чрезвычайно
медленно, не заканчиваясь иногда в течение многих суток и даже
62
месяцев [221. При фильтрации в неоднородной пористой среде
идет одновременно множество процессов с весьма различными вре-
менами релаксации, соответствующими молекулярным взаимо-
действиям различных масштабов и неоднородностям гео-
метрии пор.
При обычных предположениях теории упругого режима [64]
соотношение (25) приводит к уравнению нестационарной фильтра-
ции вида
др , Л dtp ( д^р . дЗр \
~дГ "Г Л“ dfi \ дхз + )
"Фж + Зс
(28)
идентично полученному в теории трещиновато-пористых сред.
Механизм обмена жидкостью между блоками и трещинами
объясняет возникновение релаксации давления. Вместе с тем
релаксация давления в пористой среде может быть обусловлена
не только этой причиной. Многие результаты, полученные при
изучении фильтрации в трещиновато-пористых средах, могут быть
интерпретированы более широко для сред со сложной гео-
метрией пор или составных (песок -]- глина -[-...) пористых
сред, характеризующихся микронеоднородностью. Уравнение (25)
упрощает получение граничных условий.
Если рассматривать задачу восстановления давления в полу-
бесконечном линейном пласте с начальным распределением давле-
ния р (х, 0) = ах, то взяв граничное условие (27) при х = 0,
для определения давления можно получить формулу
р(0, <) = 2aJjL f/<~exp(--------т Vo ( YV" т) dt.
/лЬД, J \ 2kpka ] у 2Л,РХШ у
(29)
Из этой формулы следует, что для малого времени
р (0, t) -1 at /лАр^щ,
(30)
т. е. вместо крутого (пропорционального ~\f t) роста давления
происходит в классическом случае весьма медленный его рост
(пропорциональный t ]/ t). Для больших значений времени спра-
ведлива асимптотическая формула
р (0, t) ~ 2а j/xi/n 1___ Ар ю
4t
Зл-+ 4А.РА.Ш
32*2
(31)
В работе [40] приведены кривые
(КВД) для составных пористых сред,
восстановления давления
полученные на линейных
63
лабораторных моделях. Эти кривые имеют ярко выраженный
линейный начальный участок, тогда как классическая теория
дает зависимость типа ]/t. Линейный характер на начальном
участке хорошо объясняется, если принять 0 (прп = 0),
причем для моделей небольшой длины процесс определяет время
релаксации, а не пьезопроводность [3]. Однако линейный харак-
тер КВД можно объяснить и незначительным количеством свя-
занного газа, который мог остаться в пористой среде после ваку-
умирования. Найдем зависимость коэффициента пьезонроводности
от давления при наличии в пористой среде связанного газа в виде
неподвижных сферических пузырьков одинакового размера, кото-
рые снижают эффективную пористость на удельный объем газа
m3 = m(l — S). (32)
Давление внутри пузырька отличается от давления в жидкости
и при сферической форме капиллярный скачок составляет 2о7г,
где <т — поверхностное натяжение; г — радиус пузырька. Если
считать, что радиусы пузырьков в 2—3 раза меньше радиуса
поровых каналов, а последние в 10—12 раз меньше диаметров
зерен, то капиллярный скачок оценивают по формуле
50<т
Рк = -т- (33)
“зер
На границе нефть — газ а = 25 дин/см; при с?зер = 0,1 мм
получим р1( — 1,25 И/см2. Эта оценка показывает, что капилляр-
ный скачок невелик, и при высоких давлениях им можно пре-
небречь. При давлениях же, близких к атмосферному, этот скачок
может оказывать некоторое влияние, и его желательно учитывать.
Изменение давления приводит к изменению газонасыщенности-.
да
Здесь а — показатель политропы; индекс «нуль» указывает
на значения величин при давлении р0.
Зависимость капиллярного скачка от давления можно найти
из уравнений Лагранжа и политропы
ркг = 2сг, {р -ф-/>к) r3a = const. (35)
Исключив радиус пузырька, имеем
р + рк = ср^ая с = const. (36)
В уравнение неразрывности для жидкости, очевидно, войдет
множитель т,р и для пьезонроводности пласта выкладки дают
формулы (при а = 1)
V _, ft 3 (/>0-f-рк0) р„.
™(Рж + 6’оР2) + Рс (ЗрЗ-2рк)(рН-рк) •
64
Формулы (36 и 37) позволяют рассчитывать зависимость пьезо-
проводности от давления. Ниже приведены вычисленные зависи-
мости для т = 0,2; тйж 4- 6С = 4-Ю-5 (кгс/см2)'1; п п =
= 0,1 кгс/см2; = 0,01 и £0 = 0,05.
р, кгс/см2 1 2 5 10 20 50 100 200
Рк, кгс/см2 0,1 0,124 0,167 0,210 0,265 0,357 0,450 0,570
х/х0, $о= 5% 1 3,7 20,6 65,0 140 212 230 235
х/х0, Уо = 1% 1 3,5 15,5 31,3 42,0 46,7 47,5 47,6
Из приведенных данных видно, что даже при наличии 1%
связанного газа в интервале от 1 до 20 кгс/см2 пьезопроводность
возрастает более чем в 40 раз. Расчет восстановления давления
для линейной модели показал, что при содержании связанного
газа около 1% начальный участок КВД прямолинейный, а при
большем содержании его начальный участок вогнутый. Резуль-
таты расчетов становятся близкими к классическим лишь при
очень малом содержании связанного газа (порядка 10'3%).
НЕСТАЦИОНАРНАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ ВЯЗКОУПРУГИХ ЖИДКОСТЕЙ
В ПОРИСТОЙ СРЕДЕ
При фильтрации через пористую среду полимерных растворов
и смолистых нефтей, обладающих вязкоупругими свойствами,
проявляются неравновесные эффекты. Исследования, проведенные
с полимерными растворами и смолистыми нефтями, выявили
немонотонный характер кривой восстановления давления: давле-
ние довольно быстро (в соответствии с законами фильтрации
упругой жидкости) достигает максимального значения, а затем
в течение большого промежутка времени медленно падает.
В работе [42] описаны «всплески» расхода полимерного рас-
твора при фильтрации через пористую среду под действием по-
стоянного перепада давления.
Отмеченные эффекты можно объяснить следующим образом.
Как известно, многие дисперсные системы обладают свойствами
дилатансии, т. е. при сдвиге изменяют свой объем, что объяс-
няется переупаковкой частиц дисперсной фазы. Подобный эффект
может иметь место для смолистых нефтей и полимерных растворов,
в которых макромолекулы можно рассматривать как дисперсную
фазу. Время, в течение которого происходит перестройка струк-
туры, определяется временем релаксации макромолекул, оно
может достигать нескольких суток и даже месяцев [22]. В то же
время скорость перестройки отдельных звеньев макромолекулы,
определяющая гидродинамическую картину течения, мала и
составляет доли секунды.
3 Закаа 522 65
Рейнером [51] предложено уравнение, описывающее дила-
тансию в упругом теле — упругое тело Рейнольдса:
-Р 01^1, (38)
где е,„ — объемная деформация; р — давление; <у1 — касательное
напряжение; 1/ах — модуль дилатансии.
В соответствии с вязкоупругим характером смолистых нефтей
и изложенными выше соображениями, а также принимая во вни-
мание справедливость модели Максвелла, реологическое уравне-
ние (38) следует заменить:
t
=- — Рр + аг § ехр [у (т — <)] (т)2 dx. (39)
О
Принимая справедливым закон Дарси и используя уравнение
(39), легко получить уравнение нестационарной фильтрации
вязкоупругой жидкости через пористую среду:
Здесь о.
= и 77~-
V '
Г-;
дх
мы
О
(40)
<а — скорость фильтрации; а
= а^т.
Используя уравнение (40), можно предсказать немонотонный
характер кривой восстановления давления. Проще всего это
сделать следующим способом: пусть гидродинамическое время
восстановления давления после стационарной фильтрации равно Т.
Тогда при t Т± можно допустить др!дх = 0. Следовательно,
< т
Jехр [у (т— /)] dr -ехр (-у<) J ехр (ут) (-||-)’ат =
о о
= ссехр(—yi). (41)
Исходя из уравнения (40) и последнего равенства, получаем
= >=VexI>W)<0. (42)
Рассмотрим случай пуска в работу прямолинейной галереи
скважин при постоянном перепаде давления др между контуром
питания и самой галереей. Пусть галерея находится на линии
х = 0, контур питания на линии х = I.
Для решения задачи линеаризируем уравнение (40) и, учи-
тывая, что др!дх Д>0, приведем его к виду
а с др_
дх ]: (Jt dt J r l г \ дх
о
b >0.
(43)
66
используя асимптотические свойства преооразования Ла-
пласа, легко показать, что изменение расхода галереи на единицу
площади q при малых значениях времени t происходит в соответ-
ствии с законами фильтрации упругой жидкости. При больших
значениях времени асимптотическое выражение для расхода q
имеет вид
Оцепим величину коэффициента Ь. Наблюдаемое в опытах
измененпе давления вследствие проявления дилатантных свойств
имеет величину, на порядок меньшую гидродинамического изме-
нения давления. Поэтому, сравнивая между собой члены в правой
части уравнения (43) по порядку величин, получим b O,lm0pZ//c.
Для условий опытов, описанных в [2], величина Ы 1.
Поэтому из соотношения (44) следует, что расход q экспонен-
циально уменьшается, приближаясь к предельному значению.
Были проведены при постоянной температуре две серии опытов
с нефтью Ширванского месторождения (объединение Азнефть),
содержание смол в которой составляет 81%, а также с жидкостью,
содержащей смесь масел вапора и брайтстока. В первой серии
снимали кривые восстановления давления в колонке с пористой
средой, представляющей собой кварцевый песок. После выравни-
вания давления в колонке закрывали вентиль на ее входе, и давле-
ние в течение нескольких часов падало.
Результаты обработки данной серии опытов по формуле (42)
в логарифмических координатах приведены на рис. 31.
Во второй серии опытов исследовали фильтрацию вязкоупру-
гих жидкостей при постоянном перепаде давления на образце.
Изменение падения расхода во времени рассчитывали по фор-
муле (44) в логарифмических координатах. Из кривых, приведен-
ных па рис. 32, видно, что предложенная модель хорошо согла-
суется с данными экспериментов.
Рис. 31. Изменение давления во времени для различных систем:
1 — смесь вапора (50%) и брайтстока 2 — смолистая нефть, k = 110 Д, Др —
(50%), k = 10Д, Др = 8 кгс/см2; =14 кгс/см2
Рис. 32. Изменение расхода смолистой нефти во времени при к= ПОД,
Ар = 14 кгс/см2
67
При проведении лабораторных работ было замечено, что если
сосуд заполнить раствором полимера или нефтью с достаточно
большим содержанием асфальтосмолистых веществ, затем создать
в сосуде избыточное давление и герметически его закрыть, то
давление в сосуде медленно падает до некоторой величины, а затем
стабилизируется. Причем скорость падения давления и разница
между начальным и конечным давлениями зависят от условий
проведения опыта. Для изучения механизма наблюдаемого явле-
ния и количественной оценки влияния различных факторов на
величину и скорость изменения давления в свободном объеме
были поставлены специальные опыты.
Контейнеры высокого давления заполняли раствором поли-
акриламида молекулярной массой 2,2 -10е, степенью гидро-
лиза 9%.
Учитывая, что на результаты опытов существенное влияние
оказывает колебание температуры окружающей среды, экспери-
менты проводили в термостатируемом шкафу при температуре
29,5 + 0,05° С. Контейнеры до их заполнения и раствор полимера
предварительно термостатировали, и только после этого начинали
опыт.
Всего с полиакриламидом было проведено четыре серии опытов.
В первой серии концентрация раствора была 0,05%, в остальных
сериях — 0,2%.
Во всех опытах контейнеры заполняли раствором ПАА под
вакуумом, однако в первых двух сериях раствор дополнительно
не вакуумировали. В третьей и четвертой сериях проводили
тщательное вакуумирование раствора после заполнения контей-
неров. Избыточное давление создавали нагнетанием раствора
полимера прессом в течение нескольких секунд в первых трех
сериях (табл. И).
В четвертой серии проводили медленное нагружение системы
(таблица 12).
После достижения заданного давления контейнеры закрывали.
Изменение давления во времени регистрировали образцовым
манометром. Во всех опытах наблюдали падение давления от
начальной величины р0 по экспоненциальному закону до некото-
рого стационарного значения в течение 10 ч и более.
Опыты с ньютоновскими жидкостями (вода, керосин) показали,
что в этом случае давление в сосудах держится достаточно ста-
бильно. В табл. 11 и 12 и на рис. 33—35 приведены основные
параметры опытов и полученные результаты. Анализ экспери-
ментальных данных показывает, что величина снижения давления
при прочих равных условиях зависит от начального давления
в системе, от концентрации полимера в растворе и тщательности
его вакуумирования. С увеличением концентрации полимера
л начального давления величина его падения возрастает.
68
ТАБЛИЦА 11
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ
ОПЫТОВ ПРИ БЫСТРОМ УВЕЛИЧЕНИИ ДАВЛЕНИЯ В СИСТЕМЕ
Помер опыта Концентрация полимера, % Давление, кгс/см2 Величина паде- ния давления । Время релакеа- 1 Ц11И 6, ч Примечание
в начале опыта Ро в конце опыта Р 03
Первая серия
1 0,05 12,3 11,7 0,6 5,7 Раствор
2 0,05 32,4 31,6 0,8 6,0 не вакуумп-
3 0,05 48,8 47,5 1,3 4,8 ровалп
4 0,05 129,9 128,0 1,9 2,9
Вторая серия
5 0,2 10,0 9,2 0,8 3,2 Раствор
6 0,2 36,0 33,7 2,3 3,0 не вакуумп-
7 0,2 79,6 75,4 4,2 2,8 ровалп
8 0,2 1,9 1,7 0,2 4,7
9 0,2 13,2 12,5 0,7 4,3
10 0,2 39,2 37,0 2,2 2,5
11 0,2 56,9 53,7 3,2 2,5
12 0,2 138,2 133,4 4,8 2,3
Третья серия
13 0,2 3,8 3,6 0,2 3,4 Раствор
14 0,2 21,3 20,7 0,6 2,7 отвакуу-
15 0,2 40,2 39,1 1,1 2,1 мпровалп
16 0,2 120,2 118,4 1,8 2,2
ТАБЛИЦА 12
ОСНОВНЫЕ И ПАРАМЕТРЫ РЕЗУЛЬТАТЫ ОПЫТОВ
ПРИ МЕДЛЕННОМ УВЕЛИЧЕНИИ ДАВЛЕНИЯ В СИСТЕМЕ
Номер опыта Концентрация полимера, Ч Давление, кгс/см2 Величина паде- ния давленй5! Время, ч
в начале опыта в конце опыта Р елакса- ции нагру- жения системы
17 0,2 7,7 7,5 0,2 3,9 0,5
18 0,2 20,5 20,2 0,3 4,0 1
19 0,2 39,8 38,9 0,9 3,9 2
20 0,2 80,1 79,3 0,8 4,2 2
Примечание. Раствор вакуумировал!.
69
начальное ёаИлетс^гс/см1
Рис. 33. Зависимость In ——--°0 от
Р Р °-
времени выдержки полимерной си-
стемы в контейнерах при времени
релаксации, ч:
1 — 6,0, концентрация ПАА Q 05%' 2 —
4,7, концентрация ПАА 0,2%; з — 32,
концентрация ПАА 0,2%; 4— 2,2, концен-
трация ПАА 0,2%
Рис. 34. Зависимость величины па-
дения давления в контейнерах от
начальной нагрузки системы:
1 — первая серия опытов (с = 0 1>5“/0',
раствор не вакуумировался); 2 — третья
серия опытов (с = 0,2%; раствор ваку-
умировался); 3 — вторая серия опытов
(с = 0,2%; раствор не вакуумировался)
Рис. 35. Зависимость времени релак-
сации от начального давления в си-
стеме:
1 — первая серия опытов; 2 — третья се-
рия опытов', з — вторая серия опытов
Результаты проведенных исследований полностью подтвер-
дили ранее высказанные предположения о том, что в вязкоупругих
системах (в растворах полимеров, в некоторых нефтях с ярко
выраженными вязкоупругими свойствами) могут наблюдаться
процессы с временем релаксации на несколько порядков больше
времени релаксации нормальных напряжений при сдвиговом
течении.
Для исследованных нами растворов полимеров время релакса-
ции нормальных напряжений при течении в цилиндрических
капиллярах составляет: для 0,05%-ного раствора полиакриламида
70
в дистиллированной воде — 0,01 с, для 0,2%-ной концентрации —
0,06 с.
Известно, что реологические параметры различных тел могут
существенно отличаться при объемной деформации от сдвиговых.
Принципиальное отличие этих двух видов деформации заклю-
чается в том, что при всестороннем сжатии нельзя осуществить
неограниченное вязкое течение.
Для исследованных систем при всестороннем нагружении
в начальный момент времени система практически мгновенно пре-
терпевает упругую деформацию, величина которой определяется
коэффициентом объемной упругости растворителя. В последующем
на протяжении достаточно длительного времени развивается
упругая деформация объемного вязкого течения. Причем напря-
жение релаксирует от начального значения р0 не до нуля (как
в теле Максвелла), а до р^.
Для качественного описания поведения вязкоупругой жидко-
сти при всестороннем сжатии ближе всего подходит реологическая
модель, предложенная Пойнтингом и Томсоном [301. Аналогичная
модель Б. А. Догадкина, Г. М. Бертенева, М. М. Резников-
ского [17] дает описание релаксационных процессов в высоко-
молекулярных соединениях. Модель представляет собой парал-
лельное жесткое соединение упругого элемента и тела Максвелла.
Если в модель Кельвина — Фогта внести упругий элемент, соеди-
ненный последовательно с вязким элементом, то получим модель,
эквивалентную описанной выше.
Уравнение релаксации напряжений в нашем случае может быть
записано в следующем виде:
Р = Рсо + (Ро— Роо)ехр (—t/Q),
где р0, pm и р — давления в системе соответственно в начальный
момент времени, в конце опыта («равновесие») и текущее в про-
цессе опыта; 9 — время релаксации.
По опытным данным строили зависимости In (р0 — Ра>У(,Р — Реп)
от t. На рис. 33 представлена указанная зависимость. Все
опытные точки достаточно хорошо ложатся на прямые линии,
по углу наклона которых легко найти времена релаксации. Было
установлено, что при быстром нагружении системы время ре-
лаксации уменьшается с увеличением начального давления (см.
рис. 35).
Полученная зависимость подтверждает, что выбранная модель
для описания реологических процессов в исследованных нами
вязкоупругих системах правильно отражает физическую сущность
процесса. Для тела Пойнтинга — Томсона характерно уменьшение
времени релаксации с возрастанием величины приложенного
напряжения.
Полученные в опытах аномально высокие значения времени
релаксации можно объяснить современными представлениями
о молекулярном строении полимеров, которые были развиты
71
В. А. Каргиным с сотрудниками [20, 21, 22]. Ими было показано,
что возможно существование двух форм цепных макромолекул —
глобулярной и фибриллярной. Однако эти простейшие образова-
ния, включающие одну или несколько полимерных макромолекул,
возникают обычно в растворах при очень малой концентрации
полимерного вещества. При повышении концентрации полимера
в растворе возникают структуры, содержащие сотни, а иногда
и тысячи макромолекул в одной частице. Для таких полимеров,
как полиакриламид с низкой степенью гидролиза, макромолекулы
которых достаточно гибки, характерно глобулярное строение.
При повышенных концентрациях полимера в растворе должны
возникнуть роевые образования, приближающиеся по форме
к шару. В настоящее время можно считать доказанным упорядо-
ченное надмолекулярное строение высокомолекулярных соеди-
нений. Однако упорядочение структуры, как упоминалось выше,
протекает зачастую довольно длительное время [22]. Упорядоче-
ние макромолекул приводит к энергетически более выгодной,
уплотненной структуре.
Таким образом, наблюдаемые релаксационные явления в поли-
мерных системах могут быть отчасти объяснены упорядочением
структуры, но механизм снижения давления в опытах не исчерпы-
вается только этим. Выше уже отмечалось, что существование
отдельных изолированных макромолекул можно ожидать только
в сильно разбавленных растворах. Исследования, проведенные
методом светорассеяния, показали, что в таких растворах средний
эффективный диаметр глобул макромолекул полиакриламида,
используемого в опытах, составляет 350 нм. Расчеты показывают,
что при таком размере макромолекул они должны были бы укла-
дываться с образованием структуры с плотной упаковкой шаров
уже при концентрации полимера в растворе, примерно равной
0,01%. Естественно, что повышение концентрации полимера
до 0,05 и 0,2% приводит к роевым образованиям и в результате
межмолекулярного взаимодействия к деформации отдельных мак-
ромолекул.
Среднее расстояние между центрами шарообразных глобул
можно рассчитать по формуле
у 6-1,66-10-г^д/ t
г лс
где М — среднее значение молекулярной массы полимера; с —
концентрация полимера в растворе.
Если допустить, что при повышении концентрации полимера
в растворе до 0,2% происходит образование структуры с плотной
упаковкой шаров без взаимного проникновения макромолекул,
то в этом случае средний эффективный диаметр отдельной макро-
молекулы должен составить: при концентрации 0,05% — 240 нм
и при концентрации 0,2% — 150 нм. При этом часть растворителя
72
должна быть заключена в межмолекулярном пространстве, объем
которого в первом приближении составляет 26% от общего объема
раствора. Остальная часть растворителя находится внутри моле-
кулярного клубка. Таким образом, система имеет внутримолеку-
лярную и межмолекулярную пористость. При создании импульса
давления оно прежде всего создается в межмолекулярном про-
странстве, состоящем из более крупных пор. Под воздействпем
всестороннего сжатия макромолекулярные клубки частично
упруго деформируются. Постепенно в результате проникновения
растворителя внутрь глобул давление в системе выравнивается,
а упругие элементы стремятся к восстановлению своей перво-
начальной формы, что макроскопически проявляется в падении
давления. Для подтверждения подобного механизма были поста-
влены специальные опыты. Контейнеры заполняли тщательно
отвакуумированным раствором ПАА концентрации 0,2%, затем
в контейнерах было создано избыточное давление до 21,3 (опыт 1)
и 120,2 кгс/см2 (опыт 2). После того как давление в контейнерах
снизилось (в опыте 1 на 0,6 кгс/см2 и в опыте 2 на 1,8 кгс/см2)
и наступило равновесие в системе, давление было сброшено до
нуля и контейнеры тут же были закрыты. При наблюдении за
изменением давления, было установлено, что оно постепенно
повышается по экспоненциальному закону: в опыте 1 —
на 0,2 кгс/см2, а в опыте 2 — на 0,5 кгс/см2 с временем релаксации,
соответственно, 1,0 и 1,5 ч.
Таким образом, в этих опытах наблюдали упругое последей-
ствие с частичным восстановлением первоначальной формы. Ви-
димо, в данном случае существуют две формы деформации: упру-
гая и пластическая. Упругую часть деформации можно объяснить
задержкой в передаче давления из межмолекулярной области
внутрь глобул и оттоком растворителя из клубка. Действительно,
при мгновенном снижении давления оно прежде всего упадет
в межмолекулярной области, а затем с некоторым опозданием
произойдет его выравнивание. Скорость выравнивания будет
зависеть от размеров глобул и их проницаемости.
Пластическая часть деформации, видимо, связана с упорядоче-
нием структуры в первой стадии опыта, которая не нарушается
при сбрасывании давления.
Выше уже отмечалось, что результаты опыта частично зависят
от тщательности вакуумирования системы. Это связано с тем, что
в процессе растворения полимера в системе остается нерастворен-
ный воздух в мелкодисперсном состоянии внутри глобул и в меж-
молекулярном пространстве. При повышении давления часть
воздуха растворяется, что приводит к дополнительному сниже-
нию давления.
В первой серии опытов при концентрации полимера 0,05%
содержание свободного воздуха существенно влияет на время
релаксации, так как после вакуумирования этого раствора давле-
ние в системе практически не изменялось и держалось достаточно
73
стабильно. О влиянии свободного воздуха на релаксационные
процессы свидетельствует и третья серия опытов, которые были
проведены после вакуумирования системы. Сравнение второй
и третьей серий показывает, что после вакуумирования величина
снижения давления в несколько раз меньше, чем в присутствии
свободного воздуха. При этом и время релаксации несколько
меньше (см. рис. 35).
Опытами также установлено, что изучаемая система обладает
«памятью». Об этом свидетельствует то обстоятельство, что после
установления равновесия в конце опыта давление в контейнере
сбрасывалось до нуля и через определенное время вновь поднима-
лось прессом до первоначальной величины. Если время выдержки
при нулевом избыточном давлении не превышало времени ре-
лаксации, определенного в начале опыта, то повторное снижение
давления практически не наблюдалось. При достаточно длитель-
ной выдержке (10 ч и более) происходило повторное снижение
давления, но уже в значительно меньшей степени. Об этом сви-
детельствует и медленное увеличение давления в системе в чет-
вертой серии (см. табл. 12). В этом случае возрастает время ре-
лаксации, так как полимерная система частично релаксирует,
поэтому увеличивается энергия, необходимая для перегруппи-
ровки макромолекул.
Нефти, добываемые из угленосной свиты Башкирии, обладают
структурно-механическими свойствами, которые оказывают
существенное влияние на процессы разработки подобных нефтя-
ных месторождений. Структурно-механические свойства этих неф-
тей объясняются наличием в них смол, асфальтенов, а также
значительным содержанием азота в попутных газах [16].
Проведенные ранее исследования [10] показали, что неньюто-
новские нефти обладают аномальными свойствами, которые вы-
ражаются в виде «горбов» на изотермах давление — объем, высота
их составляла несколько кгс/см2. Поэтому возникла необходи-
мость детального изучения таких аномальных явлений.
В лаборатории исследования свойств пластовых нефтей Уфим-
ского нефтяного института проведены многочисленные экспери-
ментальные исследования по изучению свойств неньютоновских
нефтей.
Для этих целей в бомбу PVT [И] загружали арланскую де-
газированную нефть и прессом повышали давление в бомбе до
95—140 кгс/см2 (давление насыщения пластовой нефти находится
в пределах 55—80 кгс/см2). После этого при неизменном объеме
системы фиксировали величины давления в бомбе в продолжение
5—6 ч. Более длительные эксперименты не проводили (табл. 13).
Опыты показали, что в дегазированной арланской нефти
в течение первого часа наблюдений происходило падение давления
от 140 до 128, 130 и 136 кгс/см2. Однако за следующие 4—5 ч
давление в бомбе восстанавливалось до исходной величины
140 кгс/см2. Опыты проводили при комнатной температуре, кото-
74
Т А ПЛИЦА 13
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИССЛЕДОВАННЫХ НЕФТЕЙ
Параметры Нефть дегазиро- ванная бел добавок асфальтенов Нефть, частично насыщенная бытовым газом, с, добавлением асфальчеио;:
Плотность, г/см3 0,928
Оптическая плотность 0,458 0,561
Содержание асфальтенов, вес. % 6,3 7,4
^*сп 802 647
рая в продолжение эксперимента изменялась па 0,4—1.5°. Кроме
того, расчетами было определено изменение давления в бомбе
при изменении температуры. По расчетам изменение давления
в бомбе в несколько раз меньше, чем в эксперименте.
Отмеченные аномалии, по нашему мнению, обусловлены струк-
турно-механическими свойствами исследованных нефтей. По всей
вероятности, при нагрузке таких систем в них происходит пере-
распределение структурных образований, что и приводит к изме-
нению давления.
В связи с тем, что на структурно-механические свойства нефтей
значительное влияние оказывают асфальтены, в последующих
опытах их добавляли в нефть (вес. 5%). Исследовали те же арлан-
ские нефти, частично насыщенные бытовым газом (газовый фактор
4—6 м3/м3). Опыты вели по аналогичной методике. Результаты
опытов показали, что за 5,5 ч давление в бомбе упало на 4,3 кгс/см2,
а температура в комнате за то же время сначала возросла на 1,5°,
а затем сохранялась постоянной. За время проведения экспери-
мента давление в бомбе до исходной величины не восстанавли-
валось.
В третьей серии опытов, проведенных по той же методике,
исследовали ту же дегазированную нефть, частично насыщенную
бытовым газом, но без добавки асфальтенов.
В этом случае давление в бомбе понизилось на 19,4 кгс/см2
за 5,5 ч и до исходной величины не восстанавливалось, а комнат-
ная температура при этом возросла с 18,1 до 20' С.
Следовательно,
1) при увеличении нагрузки на дегазированные структуриро-
ванные нефти давление в системе сначала падает, а затем восста-
навливается до исходной величины;
2) частичное насыщение структурированных нефтей бытовым
газом приводит к тому, что давление в системе падает на довольно
значительную величину и за время эксперимента не восстанавли-
вается;
3) добавка асфальтенов к частично насыщенной бытовым газом
структурированной нефти приводит к несколько меньшему падению
75
давления, что без добавок асфальтенов, и за время проведения
опыта давление до исходного не восстанавливается;
4) отмеченные особенности изменения упругих свойств струк-
турированных жидкостей следует учитывать при разработке
нефтяных месторождений, содержащих неньютоновские нефти.
ОСОБЕННОСТИ ВЫТЕСНЕНИЯ ВОДОЙ НЕФТЕЙ,
ОБЛАДАЮЩИХ ВЯЗКОУПРУГИМИ СВОЙСТВАМИ
Многие нефти месторождений СССР, относимые обычно к общей
категории «высоковязких», обладают аномальными реологиче-
скими свойствами, проявляющимися при течении их в пористой
среде. С неньютоновским характером течения связаны особен-
ности фильтрации и вытеснения водой нефтей при разработке
месторождений, а также влияние вязкопластичных свойств нефтей
на нефтеотдачу [15, 61]. Основной вывод из этих работ заклю-
чается в том, что вязкопластические свойства нефти приводят
к затруднению фильтрации и снижению нефтеотдачи в областях
малых градиентов давления. Влияние вязкоупругих свойств на
фильтрацию менее изучены и более сложны, чем изменения, свя-
занные с вязкопластическим течением. Осложнения, вызываемые
вязкоупругими свойствами при фильтрации однородной жидкости,
наиболее отчетливо проявляются при нестационарном течении
[98]. Наиболее очевидным интегральным эффектом, связанным
с вязкоупругостью (дилатансией), является рост кажущейся
вязкости с ростом скорости фильтрации. На уровне пор это свя-
зано с ростом скорости сдвига, поэтому в более крупных порах
кажущаяся вязкость может быть выше, чем в мелких, что при-
ведет к выравниванию скоростей движения жидкости в порах
разного размера. Такое перераспределение скоростей должно
отразиться на процессах массопередачи и вытеснения нефти
водой.
Известно, что при вытеснении неньютоновских нефтей как
из однородных, так и из неоднородных пластов с ростом вязкости
нефти нефтеотдача падает. При вытеснении вязкоупругой нефти
водой с ростом скорости (или градиента давления) будет возра-
стать вязкость (что должно приводить к снижению нефтеотдачи),
а рост кажущейся вязкости будет более заметным в более крупных
порах и более проницаемых участках, что приведет к выравнива-
нию фронта вытеснения в зонах разной проницаемости и повыше-
нию нефтеотдачи. В связи с этим зависимость нефтеотдачи от
вязкости, скорости фильтрации и степени неоднородности пласта
для вязкоупругих нефтей будет несколько иной, чем для ньюто-
новских. Положение осложняется тем, что одна и та же нефть
может при малых скоростях фильтрации вести себя как псевдо-
пластическая, а при больших — как дилатантная (вязкоупругая).
Рассмотрим подробнее влияние вязкоупругих свойств нефти
на фильтрацию и нефтеотдачу в неоднородных пластах. Если
76
характер течения аномальной жидкости в пористой среде обусло-
влен ее реологическими свойствами, а не физико-химическим
взаимодействием пористой среды и жидкости, то должен выпол-
няться закон подобия для вытеснения в средах разной проница-
емости, но с близкими структурами порового пространства [15]:
I grad р |
(45)
и для одномерного течения:
V к I 0J 1
—Г=7-=<Р- L
у т У к/т
Ар
I
(46)
где I — длина образца (участка пласта), к — проницаемость,
т — пористость, оз — скорость фильтрации. Кажущаяся вяз-
кость щ. при этом равна
[К
_ к Ар
/ш
(47)
Это означает, с учетом формулы (46), что есть функция
одной из переменных ~ 1/~— или i'7--- • Если жидкость вязко-
AZ У т У к/т
упругая, то ц.. возрастает с ростом скорости или градиента давле-
ния. По данным фильтрации ряда дилатантных жидкостей [35],
зависимость цк/ц0 от Ap/Z (где р0 — предельная кажущаяся
вязкость жидкости при стремлении скорости сдвига к нулю)
может быть приближенно принята линейной:
IhL _1 + V — • (48)
Цо I Г т ' ’
Пусть фильтрация происходит в двух параллельных слоях с про-
ницаемостями кл и А,. Отношение подвижностей при одинаковых
градиентах равно
(49)
Если А\ то значение А 1/"— может быть намного больше,
_ У т1
чем А 1/, поэтому отношение подвижностей будет значи-
/ у т2
тельно меньше, чем кх1к2. Это приводит к выравниванию профиля
закачки или отбора. Например, если А -у |/'~ — 2 (что встре-
чается в экспериментах по фильтрации дилатантных жидкостей),
77
a kjk<, = 0 04 то A — 1/ — = ОЛ и отношение подвижностей
12 ’ ’ I у т2
вместо k-Jk2 = 25, равно 11,7, т. е. более, чем вдвое, меньше.
Таким образом, вязкоупругость (дилатантная) способствует вы-
равниванию профиля фильтрации в слоистых пластах.
При больших скоростях вытеснения, когда проявляются упру-
гие свойства, нефтеотдача (коэффициент вытеснения) в высоко-
проницаемых зонах падает за счет увеличения вязкости, однако
охват вытеснения возрастает вследствие сближения отношения
подвижностей в слоях. Для двухслойного пласта с изолирован-
ными пропластками можно из общих соображений утверждать, что
чем больше доля малопроницаемого слоя в общем объеме, тем
выше нефтеотдача при прорыве воды, а следовательно, и при
заданном объеме прокачки.
При оценочном подходе воспользуемся для расчета коэффи-
циента охвата схемой линейного поршневого вытеснения с учетом
разности вязкостей в слоях, а для расчета коэффициента вы-
теснения — схемой Баклея — Леверетта. Зависимость коэффи-
циента вытеснения при прорыве воды от отношения вязкостей
рассчитывали по схеме Баклея — Леверетта. При этом относи-
тельные проницаемости принимали вид:
(50)
где s — водонасыщенность, /в и /п — относительные проница-
емости для воды и нефти соответственно.
Коэффициент охвата в малопроницаемом пласте в момент
прорыва воды через высокопроницаемый пропласток, т. е. часть
пласта, пройденная фронтом в малопроницаемом слое, ровен
! —Ио
где
Wh__
&Ц1Н т2
f Нр
= ।
тл J го
w Lip
Цн и Цн — кажущаяся вязкость нефти в слоях. Чтобы оценить
возможное влияние вязкоупругих свойств на коэффициент нефте-
отдачи, были просчитаны два условных варианта. В первом ва-
рианте предполагали, что из-за вязкоупругих свойств кажущаяся
вязкость в высокопроницаемом слое, увеличилась от 10 до 20 сП,
отношение проницаемостей слоев принимали равным к21к1 = 0,1.
Рассчитанные по описанной схеме значения коэффициента нефте-
отдачи к моменту прорыва воды через высокопроницаемый слой
приведены ниже для различных соотношений мощностей слоев.
78
Л, : hY
П v
1|.
1
0,29
0,31
2 5 10
0,210 0.1.TO 0,0932
0,220 0,125 0,0505
Здесь г] ву —коэффициент нефтеотдачи при проявлении вязко-
упругих свойств; цв — коэффициент нефтеотдачи для тех же
жидкостей при их ньютоновском поведении (т. е. при малых ско-
ростях).
Во втором варианте расчетов предполагалось, что вязкость
нефти в высокопроницаемом слое = 20 сП, а в малопроница-
емом — Цн = 6,7 сП, к2/кг = 0,1.
Полученные значения нефтеотдачи следующие:
11ву
Цв
1 2 5 10
0,322 0,253 0,185 0,152
0,352 0,250 0,170 0.1^4
Из приведенных данных видно, что если мощность малопрони-
цаемой зоны велика, проявление вязкоупругих свойств нефти
приводит к увеличению нефтеотдачи при больших скоростях
фильтрации. Однако при примерно равной мощности пластов
нефтеотдача в рассмотренном примере для вязкоупругих нефтей
ниже, чем для ньютоновских.
Для качественной оценки влияния вязкоупругих свойств нефти
на нефтеотдачу были проведены эксперименты по вытеснению
модельных жидкостей из однородных и неоднородных образцов
пористой среды. В экспериментах, проведенных в ИГиРГИ,
в качестве модели нефти использовали углеводородные жидкости
(керосин и трансформаторное масло) с добавкой полиизобутилена
(ПИБ). Дилатантный характер течения таких смесей проявляется
при их фильтрации в диапазоне относительно больших скоростей.
Смесь, вязкость которой по шариковому вискозиметру равнялась
19 сП, при фильтрации в насыпной пористой среде с проница-
емостью 12,5 Д имела разные значения кажущейся вязкости при
разных скоростях:
Скорость, см/с ............... 1,9-10“ 4 3,48-10 4 1,9-10 3
Вязкость, сП ...................... 22,8 20,4 34,2
Таким образом, при малых скоростях проявляется псевдо-
пластичный режим фильтрации, а при больших — дилатантный.
Эта же смесь с постоянным расходом вытеснялась водой из
модели пласта, составленной из двух контактирующих слоев
79
Рис. 36. Зависимость нефтеотдачи
от объема прокачанной воды, при
скорости вытеснения, см/с:
1 — 1,9-10-*, 2 — 3,5-10-*; з — 1,9-10-’;
4 — ньютоновская жидкость
высотой 20, шириной 2 и длиной 150 см. Проницаемости слоев
составляли 2,4 и 12,5 Д. На рис. 36 показана зависимость нефте-
отдачи г] от объема прокачанной воды при вытеснении смеси,
фильтрация которой описана выше.
Как видно из рисунка, в рассмотренном диапазоне средних
скоростей вытеснения (от 1,9-10~4 до 1,9 • 10'3 см/с) нефтеотдача
неоднородной модели растет с ростом скорости вытеснения не-
смотря на то, что по крайней мере в этом диапазона растет
и кажущаяся вязкость. Для сравнения на том же рисунке пока-
зано изменение нефтеотдачи при вытеснении ньютоновской нефти
(смесь керосина с трансформаторным маслом) вязкостью 35 сП.
Из приведенных данных о фильтрации и закона подобия (46)
следует, что кажущаяся вязкость нефти с добавкой ПИБ при
фильтрации с максимальной скоростью больше 35 сП. Тем не менее
нефтеотдача при максимальной скорости выше, чем при вытесне-
нии ньютоновской жидкости с вязкостью 35 сП. При малых ско-
ростях нефтеотдача ниже, чем при вытеснении ньютоновской
жидкости, хотя ниже и вязкость. Заметим, что в рассматриваемых
диапазонах скоростей и вязкостей проявление капиллярных сил
должно приводить к уменьшению нефтеотдачи с ростом скорости,
как показывает сравнение с данными работы [35]; это означает,
что проявление дилатантного режима фильтрации приводит к уве-
личению нефтеотдачи.
В АзНИПИнефти были проведены эксперименты на однород-
ных насыпных моделях по вытеснению водой нефти и трансформа-
торного масла с добавкой ПИБ. Начальная вязкость трансформа-
торного масла 20 сП1), с добавкой 1% ПИБ — 49 сП. Вязкость
чистой нефти 12 сП, с добавкой 0,029% ПИБ — 18 сП. Коэффи-
циенты вытеснения, полученные после прокачки 5 поровых объ-
емов воды в песке с проницаемостью 8,2 Д, равны: для чистой
нефти 0,53, для нефти с добавкой 0,029% ПИБ — 0,64. Аналогич-
ные результаты получены при вытеснении трансформаторного
масла из моделей с проницаемостью 0,5 и 12 Д. Коэффициенты
1 Здесь п далее приведены значения вязкости, измеренные стандартными
вискозиметрами в областях, где проявляются вязкоупругие свойства.
80
ТА БЛИЦА 14
РЕЗУЛЬТАТЫ ОПЫТОВ ПО ВЫТЕСНЕНИЮ НЕФТИ
Модель нефти
Показатели ньютсноо- ская псевдоплас- тичная дилатант- ная
Коэффициент нефтевытеспеиия: 48,0/63,0 49,0/60,0 30,0/57,0
высокопроницаемого керна
малопроницаемого керна 13,0/22,0 11,0/20,0 9,0/17,0
средний Отношение подвижностей: 29,0/44,0 29,0/42,0 20,0/39,0
по воде 8,5 8,9 8,1
по модели пефтп 8,5 9,6 8,3
1Г р имечан и е. В числителе — безводный коэффициент, в знаменателе —ко-
нечный.
вытеснения для чистого трансформаторного масла из этих образ-
цов — соответственно 0,47 и 0,54, а для трансформаторного масла
с добавкой 1% ПИБ — 0,52 и 0,62. Это означает, что, по всей
видимости, и коэффициент вытеснения может расти за счет про-
явления вязкоупругости несмотря на рост кажущейся вязкости.
Как уже отмечалось, в зависимости от характера неоднород-
ности и степени проявления вязкоупругих эффектов нефтеотдача
вязкоупругой нефти может быть и выше, и ниже, чем ньютонов-
ской. Последнее иллюстрируется результатами проведенных в Ги-
провостокнефти экспериментов по вытеснению керосином гли-
церина и растворов полиакриламида (Пушер-700) в дистиллиро-
ванной и соленой воде. Глицерин представляет собой ньютонов-
скую жидкость, раствор Пушер-700 в дистиллированной воде
обладает псевдопластическими свойствами, а в соленой (2%-ный
раствор NaCl) — дилатантными.
Таким образом, в этих экспериментах моделировали нефть
водными растворами с различными реологическими свойствами,
а воду — керосином. Модель нефти вытесняли из сцементирован-
ных кернов с проницаемостью 4,7 и 0,53 Д с поровыми объемами
280 и 240 см3, соответственно, соединенных на входном и выходном
сечениях керна (табл. 14). Как видно из таблицы, в данном случае
наилучшие результаты получены при вытеснении модели нефти,
обладающей дилатантными свойствами, так как проявление дила-
тантных свойств недостаточно меняет соотношение подвижностей
нефти в слоях при скоростях фильтрации, имевших место в экспе-
рименте (см. табл. 14).
Чрезвычайно характерными являются результаты экспери-
ментов по вытеснению водой смесей трансформаторного масла
с гудроном, проведенных Р. Б. Мамедзаде. Вязкоупругие свойства
этих смесей установлены косвенным методом — по изменению
81
Рис. 37. Вытеснение смеси трансфор-
маторное масло -}- гудрон водой из не-
однородной пористой среды (к.= 19 Д,
к2 = 3,0 Д)
давления в статических условиях. Вязкость смесей растет моно-
тонно (почти линейно) от 8,5 до 46 сП при изменении концентрации
гудрона от 0 до 40%. Вытеснение проводили из неоднородных
моделей, составленных из двух параллельных изолированных
слоев разной проницаемости (19 и 3; 2,5 и 1,1; 7,5 и 2,25 Д). Ре-
зультаты экспериментов в виде зависимости безводной и конечной
нефтеотдачи от концентрации гудрона приведены на рис. 37.
Немонотонность отчетливо показывает сложный характер этой
зависимости при проявлении вязкоупругих свойств нефти.
Таким образом, все приведенные результаты экспериментов
показывают, что проявление вязкоупругих свойств усложняет
зависимость нефтеотдачи от вязкости нефти (измеренной стандарт-
ными методами), и эта зависимость может быть немонотонной.
ИЗУЧЕНИЕ АДСОРБЦИИ ПОЛИМЕРОВ
В ПОРИСТОЙ СРЕДЕ
Адсорбция полимеров в пористой среде является одной из
важнейших характеристик, так как величина адсорбции влияет
на степень снижения подвижности раствора и его реологические
свойства при фильтрации в пористой среде и также определяет
экономическую целесообразность применения полимеров?.. Изуче-
нию адсорбционных свойств полимеров посвящен ряд работ.
Основная трудность при изучении адсорбции заключается
в отсутствии надежного и достаточно точного метода определения
малых концентраций полимера в растворе в присутствии различ-
ных примесей. В связи с этим уделялось особое внимание раз-
работке методики определения концентрации полимеров.
Многие исследователи при изучении адсорбции определяли
концентрацию полимера по заранее построенному графику зави-
симости вязкости от концентрации [12, 72]. Однако вискози-
метрический метод дает сильно завышенные значения адсорбции.
Объясняется это многими причинами: загрязнением фильтру-
ющегося раствора солями (особенно железом), частичной де-
струкцией, хроматографическим разделением полимера при филь-
трации по молекулярной массе и степени гидролиза. Все эти
факторы снижают вязкость при неизменной концентрации.
82
В процессе фильтрации раствора полиакриламида (ПАА)
в пористой среде величина адсорбции полимера зависит от сил
взаимодействия макромолекул с твердой поверхностью. При этом
возможны электростатическое взаимодействие полииона с твердой
поверхностью минерала, образование водородных связен между
карбоксильными и амидными группами, с одной стороны, и гидра-
тированной поверхностью минерала с другой, химическое взаимо-
действие ПАА с твердой поверхностью, механическое улавливание
ассоциатов и отдельных макромолекул в сужениях пор.
В реальных условиях возможно проявление всех видов вза-
имодействия, однако в зависимости от характера поверхности
и свойств раствора ПАА может преобладать тот или иной тип
связи. Гидратированная поверхность кварца несет, в основном,
отрицательный заряд, поэтому при контакте с кварцевой поверх-
ностью процесс адсорбции проходит преимущественно нс в ре-
зультате электростатического взаимодействия, а вследствие обра-
зования водородных связей между недиссоциированной карбо-
ксильной либо амидной группой полимера и гидратированной
поверхностью кварца. Поскольку в щелочной среде с увеличением
степени гидролиза растет количество диссоциированных карбо-
ксильных групп, уменьшается величина адсорбции.
Сказанное не исключает полностью электростатического вза-
имодействия, так как поверхность минералов, в частности кварце-
вого песка, весьма неоднородна с точки зрения электрического
заряда. Некоторые участки поверхности могут обладать аномаль-
ными свойствами, обнаруживая потенциал противоположного
ко всей поверхности знака. Обработка различными химическими
реагентами может сгладить или усилить неравномерность, т. е.
потенциал поверхности [26]. Аномальными являются участки,
адсорбировавшие какие-либо катионы, например катионы каль-
ция. железа и других металлов.
Опыты показывают, что динамическая адсорбция ПАА с малой
степенью гидролиза на кварцевой поверхности весьма незначи-
тельна и составляет 0,01—0,03 мг/г породы при исходной концентра-
ции полимера 0,05%. В качестве пористой среды в данном случае
был использован кварцевый песок размером зерен 0,10—0,15 мм.
Статическая адсорбция гидролизованного ПАА при pH =
= 7,0—7,5 еще меньше. В этих условиях ПАА практическп не
адсорбируется.
При контакте растворов полимера с реальными коллекторами
преобладает специфическое взаимодействие функциональных
групп макромолекул с ионами на твердой поверхности с образова-
нием соединений типа нерастворимых солей. Центрами этой
адсорбции служат участки поверхности, представленные, па-
пример, глиной, известняком, кальцитом и другими минералами,
содержащими кальций, которые в песчаниках играют роль це-
ментирующего вещества. Связь такого типа намного прочнее, чем
водородная, а тем более электростатическая.
83
a
Рис. 38. Динамическая адсорбция и
десорбция полиакриламида.
а — ПАА: 1 — истинная скорость тече-
ния — 0,47 м/сут; адсорбция 59,8 г/м3,
десорбция 33,1 г/м3; 2 — истинная ско-
рость течения — 2,4 м/сут, адсорбция
57,4 г/м3, десорбция 21,2 г/ма; б—ад-
сорбция на естественных кернах: 1 —
керны пласта БС10 Усть-Балыкского ме-
сторождения, адсорбция 120 г/м3; 2 —
керны песчаника Верхне-Ветлянской
площади; в — адсорбция на искусственно
сцементированных кернах: 7 — гидроли-
зованный гомополимер; 2 — ПАА; истин-
ная скорость течения растворов полиме-
ров 12,1 м/сут
Исследования, результаты
которых изложены ниже, были
выполнены с целью приближен-
ной количественной оценки ве-
личины адсорбции ПАА на кер-
новом материале пласта А4
Орлянского месторождения,
представленного известняками.
Для исследования исполь-
зовали дезагрегированный керн,
полученный из продуктивной
части пласта А4 при бурении
скв. 132, расположенной на
опытном участке. Адсорбентом
служили фракции породы с раз-
мером зерен 0,1—0,25 и 0,25—
0,5 мм.
Породу предварительно экс-
трагировали бензолом, спирто-
бензолом, затем отмывали сер-
ным эфиром, горячей дистилли-
рованной водой и сушили при
температуре 100° С.
Для изучения адсорбции
были взяты растворы ПАА,
приготовленные на дистиллиро-
ванной воде и на воде Голубого
озера, используемой для завод-
нения на Орлянском месторож-
дении.
Растворы готовили из из-
весткового ПАА. Адсорбцию
изучали в статических усло-
виях. Количественное соотно-
шение адсорбента и раствора
составляло 1 : 2 (по весу).
После достижения равновесной
адсорбции (в течение 96 ч) оп-
ределяли концентрацию ПАА
в растворе.
Результаты исследований
приведены на рис. 38. Получены
изотермы выпуклого типа. Для
фракции породы 0,1—0,25 мм
величина предельной адсорбции ПАА из раствора в дистиллиро-
ванной воде достигается при концентрации 0,5% и составляет
1,6 мг/г. Адсорбция из растворов в озерной воде достигает пре-
дельного значения при концентрации 0,4% и составляет 0,8 мг/г.
84
В области малых концентраций зависимость адсорбции от кон-
центрации близка к линейной.
Аналогичная изотерма получена и на породе, размер зерен
которой равен 0,25—0,5 мм. В этом случае величина предельной
адсорбции ПАА из растворов в дистиллированной воде равна
1,24 мг/г и достигается при концентрации 0,33%; адсорбция из
растворов в озерной воде достигает предельного значения при
той же концентрации и составляет 1,0 мг/г.
Опыты показывают, что адсорбция на известняке значительно
выше, чем на кварцевой поверхности. Так, при исходной кон-
центрации раствора ПАА в дистиллированной воде 0,05% ад-
сорбция на известняке составила 0,22 мг/г, а из раствора на
озерной воде при той же концентрации — 0,128 мг/г. В аналогич-
ных условиях адсорбция ПАА на кварцевом песке составляет
0,06—0,08 мг/г.
Полученные результаты по статической адсорбции следует
рассматривать как сравнительные для оценки влияния минерало-
гического состава породы на величину адсорбции. В расчеты по
заводнению нефтяного пласта с применением полимеров необхо-
димо закладывать данные по динамической сорбции, полученные
при фильтрации в нефтенасыщенной естественной пористой среде.
Определение величины динамической сорбции растворов ПАА
на различных пористых средах проводили таким образом: керн
длиной 20—22, диаметром 2,9 см насыщали керосином, который
затем замещали нефтью или ее моделью. Нефть вытесняли водой,
которая была растворителем ПАА (дистиллированная вода 4-
+ 2% NaCl), до полной обводненности продукции. После этого
закачивали раствор ПАА и отбирали пробы жидкости на выходе
из керна, в которых определяли содержание полимера. При до-
стижении на выходе исходной концентрации (с0) закачку раствора
ПАА прекращали, и далее полимер вытесняли водой с отбором
проб на выходе из керна. По данным анализа проб и их объему
строили выходную кривую концентрации полимера в зависимости
от объема закачки раствора полимера и воды после него.
Рассмотрим результаты одного из опытов.
Искусственно сцементированный песчаный керн проница-
емостью 0,4 Д насыщен моделью нефти Сосновского месторожде-
ния вязкостью 24 сП. Нефть вытесняли 2%-ным раствором NaCl
со скоростью 0,47 м/сут до практически полной обводненности
продукции. Затем вели закачку 0,05%-ного раствора ПАА в мине-
рализованной воде вязкостью 1,8 сП. Общий объем добытой нефти,
равный 24,7 см3, был принят за поровый объем, через который мог
фильтроваться раствор полимера, и, исходя из этого, строили
выходящую кривую концентрации (см. рис. 38).
При фильтрации раствора полимера концентрация, равная
половине исходной (0,5 с0), была зафиксирована на выходе из
керна после прокачки через него объема, равного 1,53 объема пор.
Величина адсорбции составляет 59,8 г/м3 (см. рис. 38, а). Однако,
85
как показывает выходная кривая концентрации, полученная при
вытеснении раствора полимера, эта адсорбция не является пол-
ностью необратимой. Десорбция составила 33,1 г/м3.
Последующие два опыта были проведены в аналогичных с опы-
том 1 условиях, но при больших объемных скоростях. При ско-
рости вытеснения 2,40 м/сут адсорбция оказалась равной 57.4 г/м3,
десорбция 21,2 г/м3. Повышение скорости прокачки раствора
полимера привело к еще большему снижению адсорбции. При
скорости 5,4 м/сут величина адсорбции составила 28 г/м3, десорб-
ция практически отсутствовала. Этими опытами дополнительно
подтверждено влияние скорости фильтрации на количество удер-
жанного в пористой среде полимера.
Кроме опытов на искусственно сцементированных песчаниках
определение величины динамической сорбции проводили с исполь-
зованием натуральных кернов.
На рис. 38, б показана выходная кривая концентрации поли-
мера, полученная при работе на песчанике Верхне-Ветлянской
площади. Остаточная нефтенасыщенность на момент закачки
раствора полимера составляла примерно 0,3. Из данной кривой
величину адсорбции рассчитать нельзя, так как кривая сильно
смещена, это явление описано Даусоном [74], и объясняется оно
тем, что часть порового пространства оказывается в некоторых
случаях недоступной для полимера. Величина адсорбции на
исследуемом песчанике, видимо, мала, а недоступный для поли-
мера поровый объем велик. При построении выходной кривой
концентрации полимера мы исходили из того, что объем пор.
доступный полимеру, равен объему нефти, вытесненной водой
и раствором ПАА (24,7 см3). На самом деле полимер фильтровался
через поровые каналы, суммарный объем которых намного меньше.
Величину недоступного для полимера порового объема можно
определить по методике, разработанной Даусоном. Эту методику
мы применяли при работе с искусственно сцементированным
песчаником и с насыпной моделью проницаемостью до 0,5 Д.
В обоих случаях доступный для полимера поровый объем был
равен объему вытесненной нефти. Керновый материал Верхне-
Ветлянской площади имел более высокую проницаемость, чем
искусственные керны (1,0—1,5 Д). Можно было ожидать, что
недоступного полимеру порового объема здесь также не будет.
Однако наличие такого объема определяется, видимо, степенью
неоднородности пористой среды, а не проницаемостью.
Наибольший практический интерес представляет опыт по опре-
делению величины динамической сорбции 0,05%-ного раствора
ПАА на керновом материале Усть-Балыкского месторождения,
который был проведен в условиях, приближенных к пластовым.
В керне создавали связанную воду (30%), являющуюся мо-
делью пластовой. Далее керн насыщали моделью нефти место-
рождения Усть-Балык, которую затем вытесняли синоманской
водой, применяемой для заводнения пласта. После этого воду
86
замещали раствором ПАА на синоманской воде. Концентрация
полимергт 0,05%. Скорость вытеснения 0,47 м/сут. Опыт проводили
при пластовой температуре 78° С. Выходная кривая концентрации
полимера показана на рис. 38, б. Поровый объем, доступный поли-
меру, считался равным объему вытесненной нефти и связанной
воды. Величина адсорбции составила 120 г/м2. Сравнительно
высокая адсорбция обусловлена, видимо, присутствием в песча-
нике глии (до 15%), так как на искусственном песчаном керне,
насыщенном этой же нефтью, величина адсорбции была вдвое
меньше. Необходимо заметить, что при расчете адсорбции в этом
опыте мы исходили из общепринятой концепции, по которой
вся связанная вода вытесняется полимером.
Проведена серия опытов по изучению динамической адсорбции
синтезированных в лаборатории полимеров при фильтрации их
в искусственно сцементированной пористой среде без нефти. По-
ристая среда состояла из кварцевого песка, в качестве цементиру-
ющего вещества использовали молотое стекло. Растворы готовили
из гомополимера с молекулярной массой, равной 0,7-10е. Степень
полидисперсности 2,5 из этого же полимера, но гидролизованного
до 20%. из гидролизованного гомополимера с М = 3,4-106,
Г = 22% и степенью полидисперсности 2,6. Концентрация рас-
твора во всех опытах этой серии была 0,05%, скорость течения
раствора в пористой среде 12,1 м/сут.
На рис. 38, в представлена выходная кривая концентраций
негидролизованного гомополимера. Величина адсорбции составила
0,017 мг/г (30 г/м3). Аналогичные кривые получены для гидроли-
зованных полимеров, но величина адсорбции была несколько
меньше: 0,012 мг/г (21 г/ма) для полимера с М = 0,7-10*
и 0,015 мг/г (16 г/м8) для М = 3,4-10*. Полученные значения
адсорбции близки, однако эти опыты подтверждают, что адсорбция
гидролизованного ПАА на кварцевой поверхности несколько
ниже, чем негидролизованного.
На том же рис. 38, в для сравнения дана выходная кривая
концентраций, полученная в идентичных условиях при фильтра-
ции ПАА (кривая 2). Адсорбция составила 0,029 мг/г (51 г/м8).
Таким образом, адсорбция чистых полимеров оказалась при-
мерно в 2 раза меньше адсорбции технического полиакриламида.
Это объясняется, по всей видимости, отсутствием в чистых поли-
мерах сшитых форм, которые механически улавливаются суже-
ниями пористой среды, а также отличием функциональных групп
полимеров.
Результаты части опытов по изучению статической и динами-
ческой адсорбции ПАА из водных растворов на породе различного
состава представлены в табл. 15. На основании анализа экспери-
ментальных данных можно предположить, что при прочих равных
условиях статическая адсорбция существенно выше динамической.
Аналогичные результаты получены Мунганом [91, 92], который
изучал статическую и динамическую адсорбцию ПАА на пористых
87
ТАБЛИЦА 15
СТАТИЧЕСКАЯ И ДИНАМИЧЕСКАЯ АДСОРБЦИЯ ПОЛИАКРИЛАМИДА
ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ НА ПОРОДЕ РАЗЛИЧНОГО СОСТАВА
(КОНЦЕНТРАЦИЯ ПАА - 0,05%)
Пористая среда Скорость фильтра- ции, м/сут Растворитель, полимер Статическая^адсорб- ция, мг/т Динамиче- ская адсорбция
мг/г
Несцементированный кварцевый песок, раз- мер зерен 0,10—0,15 мм — Дистиллированная вода, ПАА 0,08 0,01 0,08 18,54
Искусственно сцементи- рованный кварцевый пе- сок без нефти 12,1 Дистиллированная вода, гомополимер — 0,017 30
То же 12,1 То же, гидролизованный гомополимер — 0,012 0,015 21—26
)) 12,1 То же, ПАА — 0,029 51
Искусственно сцементи- рованный кварцевый пе- сок с остаточной нефтью 0,47 2% NaCl+ ПАА — 0,035 59,8
То же 2,40 То же — 0,033 57,4
» 5,40 » — 0,016 28,0
Дезагрегированный керн пласта А4 Орлянского месторождения, фрак- ция 0,10—0,25 мм, экс- трагированный Дистиллированная вода, ПАА 0,22
То же — Вода Голубого озера, ПАА 0,128 — —
Естественный керн, пла- ста А4 Орлянского ме- сторождения (извест- няк) с остаточной не- фтенасыщенностью То же 0,059 127,0
Естественный песчаник Усть-Балыкского ме- сторождения с остаточ- ной нефтенасыщенно- стью Сеноманская вода, ПАА 0,Ub7 120,0
средах без остаточной нефти. В качестве пористой среды он ис-
пользовал прокаленный и естественный песчаник Бириа. а также
оттавский песок. Исследованы растворы полимеров Пушер-500
и Пушер-700 концентрации 0,05%. Статическая адсорбция соот-
ветственно была: 500, 610 и 300 мг/г, а динамическая — 35, 160
и 55 мг/г.
Причиной меньшей динамической адсорбции является, видимо,
то обстоятельство, что при фильтрации не все поры участвуют
в адсорбции полимера, так как раствор движется преимущественно
88
через большие поры, имеющие наименьшую площадь поверхности
на единицу объема. Правда, при фильтрации раствора полимера
необходимо было бы учесть механическое улавливание полимер-
ных частиц пористой среды, однако разделить чисто адсорбцию
и механическое улавливание полимера в данном процессе чрезвы-
чайно сложно.
Сопоставление опытов, проведенных с остаточной нефтью и без
нее, показывает, что адсорбция ПАА в первом случае значительно
ниже.
Установка для исследования фильтрационных свойств растворов
полимеров в пористой среде
Установка состоит из трех основных узлов: датчика постоян-
ного расхода (ДПР), термошкафа, обеспечивающего постоянство
температуры с точностью до 0,05°, и кернодержателя специаль-
ной конструкции, позволяющего работать с естественными и
искусственно сцементированными кернами длиной до 24 см с за-
мером давления в промежуточных точках.
Схема установки показана на рис. 39.
Жидкости в ДПР подают двумя прессами, плунжеры которых
движутся во взаимно противоположных направлениях. Переклю-
чение прессов происходит автоматически. На выкидной линии
ДПР стоят клапаны специальной конструкции, работа их синхро-
низирована с переключением прессов. Клапаны переключают
автономным реверсивным электродвигателем. Таким образом осу-
ществляется непрерывность работы установки в автоматическом
режиме.
Объемный расход установки находится в пределах от 1,5
до 500 см3/ч. Многоступенчатый шестеренчатый редуктор
Рис. 39. Схема установки по фильтрации при постоянном расходе:
1 — электродвигатель; 2,3 — датчики по-
стоянного расхода; 4, 7,8 — колонки с
маслом, водой и раствором полимера;
5 — фильтр; 6 — поршень; 9 — образцо-
вые манометры;
10 — нсрнодержатель; 11 — капилляры:
12, 13 — пьезометры; 14 — мерный ци-
линдр; 15 — нагреватель; 16 — вентиля-
тор
89
Рис. 40. Схема кернодержателя:
1 — корпус кернодержателя; 2 — керн; 4 — резиновая манжета гидрообжнма;
3 — пьезометр; 5 — штуцер для гидрообжнма
позволяет обеспечить стабильный расход жидкости при восьми ди-
скретных скоростях (передаточное число между соседними пере-
дачами редуктора 2,25).
Одним из наиболее важных элементов всей установки является
кернодержатель. Ниже будет показано, что непременным усло-
вием всех исследований фильтрационных и реологических свойств
неньютоновских систем является регистрация распределения да-
вления вдоль кернодержателя, поэтому была предусмотрена
возможность замера давления в пяти промежуточных точках при
помощи пьезометров или манометров (при высоком давлении).
Рис. 41. Схема установки по фильтрации при постоянном перепаде давления:
1 — весы; 2 — кернодержатель; 3 — пьезо- в — регулятор давления «после себя»;
метры; 4 — манометр; 5 — вентили высо- 7 — напорная колонка; 8 — разделитель-
ного давления; ный поршень; 9 — газовые редукторы;
10 — газовый баллон
1
Исследуемые керны помещали в резиновую манжету. Схема
кернодержателя представлена на рис. 40.
На выходе из кернодержателя был установлен капиллярный
вискозиметр непрерывного действия, который состоит из сменного
капилляра и пьезометра (см. рис. 40), установленного между
кернодержателем и капилляром. При проведении опыта непре-
рывно регистрируют расход жидкости и перепад давления на
капилляре, что позволяет постоянно наблюдать за изменением
эффективной вязкости исследуемого раствора на выходе из керна.
Установка позволяет работать не только при постоянном
расходе, но и при постоянном перепаде давления. В этом случае
исследуемая жидкость выдавливается из колонки газом
(рис. 41). Для предотвращения растворения газа в жидкости
между ними устанавливают разделительный поршень.
Были проведены три серии опытов с раствором полиакрил-
амида.
Первую серию проводили на керне проницаемостью 2,2 Д
длиной 20 см и площадью сечения 6,6 см2; температура опыта
30 ± 0.05° С. Фильтрующаяся жидкость представляла собой
0,05%-ный раствор ПАА с молекулярной массой 3,2-10“ и сте-
пенью гидролиза 22,4%. Вначале керн заполняли водой, которую
вытесняли полиакриламидом более 30 ч при перепаде давления
2 кгс/см2 до установления постоянного расхода (опыт 1). Затем
фильтрацию останавливали на 65 ч, после чего вновь создавали
начальный перепад давления и измерение расхода вели до его
примерного установления в течение почти 6 ч (опыт 2). После
очередной остановки на 17 ч опыт продолжали при том же пере-
паде давления в течение 9 ч (опыт 3); затем останавливали на 1 ч
и продолжали фильтрацию под тем же давлением в течение 8,5 ч
(опыт 4), остановка на 10 мин и фильтрация при том же перепаде
в течение 7 ч (опыт 5). Соответствующие кривые изменения расхода
представлены на рис. 42.
Вторую и третью серии опытов проводили на керне проница-
емостью 0,4 Д, длиной 22 см и площадью поперечного сечения
6,6 см2, при температуре 30 ±. 0,05° С. Фильтрующаяся жидкость
представляла собой 0,05%-ный раствор ПАА с молекулярной
массой 2,95-10“ и степенью гидролиза 37,5%, полученный поли-
меризацией химически чистого акриламида с последующей гидро-
лизацией. Вначале поровый объем керна был заполнен водой,
после чего при перепаде давления, равном 1 кгс/см2, происходило
вытеснение воды раствором полиакриламида в течение 6 ч (опыт 1),
затем перерыв на 59 ч, фильтрация в течение 4 ч при том же пере-
паде давления (опыт 2), перерыв на 1 ч 10 мин, фильтрация в тече-
ние 3,5 ч под действием того же перепада (опыт 3), остановка
на 9 ч и фильтрация в течение 6 ч (опыт 4). (Кривые изменения
расхода см. рис. 42.)
Третья серия опытов — это продолжение второй, но с изме-
ненным перепадом давления. После длительного перерыва филь-
91
•грацию продолжали при перепаде 2,3 кгс/см2 в течение 7 ч (опыт 1),
затем остановили па 16 ч. В третьей серии опытов циклы повто-
ряли 5 раз, и после каждой остановки наблюдали всплеск расхода
при возобновлении фильтрации (см. рис. 42).
Результаты обработки экспериментов приведены на рис. 43.
Как видно, за исключением кривой 7, эти результаты находятся
в хорошем соответствии с расчетными — точки ложатся на пря-
мые линии. Имеющийся небольшой разброс наклонов прямых,
т. е. времени релаксации, можно отчасти объяснить неточностью
определения установившегося расхода qe. По нашему мнению,
первые кривые отражают процесс накопления частиц в поровом
пространстве при вытеснении воды раствором полиакриламида
и установлении динамического равновесия в начале каждой серии
опытов.
Показательны также следующие эксперименты. Представим
себе, что полимерный раствор, обладающий вязкоупругими свой-
ствами, вытесняется жидкостью, не обладающей этими свойствами
(ньютоновской жидкостью). В этом случае после прокачки вытес-
Рис. 42. Изменение расхода рас-
твора. ПАА во времени в процессе
фильтрации при постоянном пе-
репаде давления. Проницаемость
керна 0,4 Д; концентрация ПАА
0,05%:
М = 2,95-10»; Г = 37,5%
Q 0 Qs
Рис. 43. Зависимость In от времени:
а —'вторая серия опытов; 6 — третья се- Номера кривых соответствуют номерам
рия^опытов опытов в серии
92
няющеи жидкости в количестве, несколько большем одного поро-
вого объема, вязкоупругие частицы, закупоривающие поровое
сечение, должны еще сохраняться в поровом объеме, и при прекра-
щении фильтрации и последующем ее возобновлении через не-
которое время фильтрационный расход должен возрасти. Это
действительно наблюдалось при вытеснении полимерного раствора
водой.
Предполагалось, что эти эффекты связаны с образованием
аномальных слоев на входе в образец в результате осаждения
ассоциатов на торце керна. Специальные замеры давления в четы-
рех сечениях по длине образца при фильтрации раствора ПАА
показали, что это не так. Концевые эффекты действительно иногда
имеют место, однако основная часть перепада давления равно-
мерно распределяется по длине образца.
Результаты экспериментов позволили определить время ре-
лаксации, равное 50—95 мип.
ИЗУЧЕНИЕ ПРИЧИН ЗАТУХАНИЯ ФИЛЬТРАЦИИ РАСТВОРОВ
ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБРАЗЦОВ ПАА
В процессе исследования фильтрационных и реологических
свойств растворов некоторых промышленных образцов полиакрил-
амида было установлено, что закачка в пористую среду растворов
этих полимеров при постоянном перепаде давления приводит
к затуханию фильтрации, а при постоянной скорости — к интен-
сивному росту давления перед входом в образец. Эпюры давления,
построенные по результатам замеров в промежуточных точках
линейной модели пласта, имеют иепрямолинейный вид — с ано-
мальным скачком перед входом в образец. При этом проницаемость
начального участка керна снижалась в десятки и сотни раз по
сравнению с проницаемостью основной части керна. Последующая
прокачка больших объемов воды не приводила к снижению давле-
ния на входе.
Аномальный рост сопротивлений на входном участке образцов
указывает на то, что часть макромолекул полиакриламида не
способна проникнуть в пористую среду. Наиболее вероятным
объяснением закупоривающего действия полиакриламида является
наличие в растворе ассоциатов частично сшитых макромолекул
(или индивидуальных макромолекул больших размеров с попе-
речными связями), размеры которых соизмеримы с размерами
поровых каналов. Число таких сшивок в объеме фильтрующегося
раствора невелико, так как в большинстве проведенных опытов
по фидьтрации исходную концентрацию раствора на выходе из
образца наблюдали при прокачке сравнительно небольших объ-
емов жидкости (3—4 поровых объемов), в то же время рост давле-
ния на входе в керн продолжался и после прокачки значительно
больших объемов раствора.
93
~г Относительно причин образования сшитых форм было выска-
зано несколько предположений: механическое перепутывание
звеньев макромолекул, проявление водородной связи, проявление
химической связи (имидные, ангидридные связи или связи через
поливалентные металлы). Не отрицая возможности проявления
всех указанных видов связей, мы полагаем, что ответственными
за сшивку являются, прежде всего, имидные связи. Было пока-
зано, что в результате разрушения имидных связей щелочным
гидролизом существенно улучшалась фильтрационная характе-
ристика растворов полиакриламида. Позднее, когда опыты по
фильтрации раствора полиакриламида проводили с сильно мине-
рализованными жесткими водами, была подтверждена возмож-
ность сшивки макромолекул через поливалентные катионы, на-
пример кальций, железо. Особенно наглядно влияние поливалент-
ных катионов на взаимодействие макромолекул полиакриламида
между собой было продемонстрировано электронно-микроскопи-
ческими наблюдениями, в которых был использован тот же ПАА,
что и в вышеописанных исследованиях (М = 1,57-10®, Г = 9,
23,6. 45 .6%). Методика препарирования образцов сохранилась
прежней.
Растворы полимера готовили с солями кальция (СаС12), трех-
валентного железа (FeCl3), двухвалентного железа (FeSO4) и
комплексообразующих добавок. Электронно-микроскопические ис-
следования показали, что в сильно разбавленных растворах
(0,001%) ПАА со степенью гидролиза 23,6% сохраняются сшитые
структуры преимущественно линейного строения. Поперечный
размер агрегатов от 100 до 200 нм, а длина от 0,1 мкм до несколь-
ких. Совместно с крупными агрегатами существуют и индивиду-
альные молекулы сферической формы, не участвующие в образова-
нии агрегатов. Размер этих макромолекул 15—20 нм. Можно
предположить, что коэффициент набухания этих молекул равен
единице.
Увеличение степени гидролиза ПАА в растворах минерализо-
ванной воды приводит к еще большему агрегированию макро-
молекул, так как увеличение ионизации полииона в присутствии
поливалентных противоионов создает предпосылки к дополни-
тельной сшивке за счет образования межмолекулярных мостиков
через поливалентные катионы. Даже при концентрации 0,0001%
ПАА в растворе дистиллированной воды и СаС12 наблюдались
агрегаты размером в несколько микрон и множество агрегатов
размером 60—100 нм, состоящих из нескольких отдельных глобул.
Размер индивидуальных молекул не превышает 20 нм. Видны
также крупные образования размером более микрона. Макро-
молекул, не участвующих в образовании агрегатов, встречается
очень мало.
Увеличение концентрации ПАА в растворе приводит к допол-
нительной агрегации в результате приобщения отдельных макро-
молекул к уже существующим структурам. Слияние молекул
94
по мере увеличения концентрации раствора полимера происходит
без их взаимного проникновения.
Особенно большое влияние на процесс агрегирования молекул
оказывают трехвалентные противоионы, наличие в растворе кото-
рых приводит к интенсивной «вулканизации» молекулярных
клубков из-за образования межсолевых мостиков, и уже при кон-
центрации 30—40 мкм/л солей трехвалентного железа выпадает
гелеобразный осадок ПАА. В данном случае происходит типичное
явление высаливания полимера. Подобное явление наблюдалось
нами в ряде опытов при внесении в гомогенный раствор ПАА
солей трехвалентного железа. При этом полимер свертывался
в виде гелеобразных сгустков, которые уплотнялись и выпадали
на дно сосуда, а раствор ПАА обеднялся. Вязкость раствора резко
падала.
В присутствии FeCl3 образуются очень крупные агрегаты
вытянутые в нити, поперечный размер которых 0,2—0,4 мкм,
а длина — несколько микрон. В растворе присутствуют также
изолированные от крупных молекулярных образований отдельные
макромолекулы.
В лабораторных условиях сделана попытка предотвратить
или уменьшить вредное влияние катионов поливалентных метал-
лов добавлением в растворы полимера веществ, образующих
с катионами поливалентных металлов водорастворимые комплекс-
ные соединения.
В качестве комплексообразующих добавок мы использовали
селектон «Б» и пиракахетин. В присутствии комплексообразующих
веществ катионы поливалентных металлов не образуют гелеобраз-
ных осадков. Вязкость раствора полиакриламида при этом воз-
растает, по не достигает исходной.
Наиболее эффективным из испытанных комплексообразующих
веществ оказался селектон «Б», в присутствии которого катионы
Fe3+ и Са2+, образуя прочные комплексные соединения, препят-
ствуют образованию полиакрилатов.
В присутствии селектона «Б» получаются гомогенные, совер-
шенно прозрачные растворы ПАА со слегка зеленоватым оттенком,
хорошо фильтрующиеся через фильтр Шотта № 2, 3.
Пирокахетин также разрушает меж- и внутримолекулярные
связи через поливалентные катионы, образуя с ними комплексы,
с железом пирокахетин образует комплекс сине-фиолетового
цвета, растворы ПАА получаются темными, поэтому его неудобно
применять. Гелеобразный нерастворимый осадок сшитых молекул
полимера и в случае применения пирокахетина постепенно рас-
творяется, что свидетельствует о разрушении межмолекулярных
связей. При этом крупные структурные образования не встре-
чаются вообще. Отдельные агрегаты по своим размерам редко
превышают 300 нм. В растворе преобладают отдельные изолиро-
ванные молекулы размером 15—20 нм, которые не участвуют
в образовании структур. По мере повышения концентрации поли-
95
мера в растворе образуются вторичные структуры при слипании
отдельных молекул без взаимного проникновения их друг в друга.
Аналогичная картина наблюдалась и при работе с растворами
в дистиллированной воде.
Проведенные исследования на электронном микроскопе доста-
точно убедительно показали, что присутствие поливалентных
катионов в растворе ПАА приводит к довольно неприятным послед-
ствиям — к сшивке молекул и образованию агрегатов сравни-
тельно больших размеров. Особенно сильно явление «вулканиза-
ции» наблюдается при наличии в растворах ПАА трехвалентного
железа, которое может появиться в результате коррозии оборудо-
вания при закачке растворов ПАА на промысле. Однако степень
этого влияния определяется характером внешних условий и с коли-
чественной стороны нуждается в уточнении.
Выше отмечалось, что присутствие в растворах гидролизо-
ванного ПАА поливалентных катионов является не единственной
причиной образования сшитых структур. Нарушение оптималь-
ного технологического режима в процессе получения полимера
приводит к образованию имидных связей.
В литературе есть указания на возможность имидизации
полиакриламида в процессе полимеризации [52, 57]. Отмечается,
что в зависимости от метода получения содержание азота в поли-
мере может изменяться и почти всегда ниже теоретической вели-
чины 19,7%. Например, цианомер Р-250 — высокомолекулярный
полиакриламид, производимый Американской цианомидной кор-
порацией, содержит 17,67% азота. Полимер, полученный в ди-
оксане при 60° С с помощью перекиси бензола, содержит 15,5%
азота.
Потерю азота объясняют протеканием имидизации с образова-
нием внутримолекулярных
СН2
—СИ,—СП СИ,
I I
СО со
w
и межмолекулярных имидных структур
-СН2-СН
I
СО
I
MI
со
—сн,-сп-
Имидизацией объясняют авторы высокую полидисперсность
полиакриламида, полученного при 50—60° С по методу Савиц-
кой [52].
96
ТАБЛИЦА 16
СОСТАВ ТЕХНИЧЕСКОГО КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО АКРИЛАМИДА
Показатели Результаты анализа Количество анализов Метод анализа
Содержание непредельных 81,8 ± 0,4 3 Бромидброматный
соединений, % Содержание катиона Са, % 2,83 ± 0,11 3 Гравиметрия
Содержание аниона Са, % 0,081 ± 0,012 3 Гравиметрия
Содержание гидрохинона, ило/ 6,0 ± 0,9 3 Цериевый
J V /0 Содержание полимеров, % Влажность, % Нерастворимые примеси, % 4 2 0,2 1 1 Высаживание ацетоном По Дину—Старку Гравиметрия
Имид акриловой кислоты, получающийся в качестве побочного
продукта на стадии омыления нитрила акриловой кислоты, может
содержаться и в техническом мономере — акриламиде.
Жесткие условия процесса омыления (t = 100° С, H2SO4)
могут привести к имидизации мономера
СН2=СН—CONH, СН,= СН-СО\
' щзоГ^ ‘ NH4-tNH4HSO4
CH2=CH-CONH2 сн2=сн-со/
Таким образом, в технических реагентах возможно существо-
вание формы сшивок через поливалентные катионы и имиды. Для
выяснения доли участия каждой из них в явлениях затухания
фильтрации были исследованы фильтрационные свойства поли-
меров, в которых присутствовала только одна форма поперечной
связи. В опытах использовали также полимеры, полностью сво-
бодные от сшитых структур и имеющие линейное строение макро-
молекул.
Результаты анализа синтезированного полимера приведены
в табл. 16.
Часть работы выполняли с очищенным акриламидом, который
получали возгонкой в вакууме дважды перекристаллизованного
из этилацетата технического мономера. Содержание непредельных
углеводородов в очищенном акриламиде 99,6 + 0,5%; темпера-
тура плавления, которая может служить критерием чистоты
мономера, — 84,9—85,1° С.
Из очищенного мономера были получены радикальной поли-
меризацией гомополимеры акриламида, реологические свойства
которых подробно описаны выше, а основные параметры
даны в табл. 16.
Фильтрация данных образцов гомополимеров проходила без
затухания и аномального скачка давления на входной части керна.
4 Заказ 522
97
ТАБЛИЦА 17
ХАРАКТЕРИСТИКА ИССЛЕДОВАННЫХ ПОЛИМЕРОВ
1 Номер опыта I Реагент Молекулярная масса Содержание групп СОО, мол. % Проницаемость по- ристой среды, Д
1 ПАА с акрилатами кальция 0,94 20,0 0,81
2 То же 1,50 41,0 0,95
3 Сополимер акриламида с акрилатами кальция 3,90 8,0 0,39
4 ПАА с имидными связями 1,10 4,5 0,40
5 То же, гидролизованный ПАА № 72 с имидными связями 1,10 41,0 0,44
6 2,00 — 0,42
7 Промышленный ПАА 1,50 20,0 1,00
8 То же 3,40 19,0 0,39
9 Гидролизованный гомополимер № 17 3,40 20,0 0,49
Распределение давления по длине модели пористой среды было
строго линейное и режим течения устанавливался довольно
быстро. Гидролиз гомополимеров приводил к переходу дилатант-
ного течения на псевдопластическое с резким снижением подвиж-
ности раствора, но условия фильтрации при этом не ухуд-
шались.
В других опытах исследовали полимеры с акрилатами кальция,
свободные от имидных поперечных связей. Полиакриламиды
с акрилатами кальция были получены двумя способами. В первом
случае предварительно получали акрилат кальция взаимодей-
ствием охлажденных растворов гидроокиси кальция и акриловой
кислоты, которую перед реакцией перегоняли в вакууме. Мономер
из раствора выделяли осаждением ацетоном и затем высушивали
в вакууме. Далее проводили совместную полимеризацию акрилата
кальция чистого акриламида.
Во втором случае гидролизованный гомополимер нейтрализо-
вали совместно натриевой и кальциевой щелочью. В результате
к карбоксильным группам полимера присоединялся кальций.
В табл. 17 показаны молекулярные массы и содержание карбо-
ксильных групп синтезированных полимеров. Для изучения
реологических и фильтрационных свойств готовили растворы этих
полимеров в дистиллированной воде с концентрацией 0,05%.
Для получения полимера с имидными связями технический
акриламид очищали от акрилатов кальция и других соединений
иогенного характера на ионоообменных смолах. В результате
получали смесь амида и имида акриловой кислоты. В других
опытах для получения полимера, не содержащего кальциевых
98
Рис. 44. Фильтрация растворов
ЛАА:
1 — сополимер акриламида с акрилатами
кальция; 2 — гидролизованный гомополи-
мер № 17; 3 — промышленный ПАА; 4 —
ПАА с имидными связями гидролизован-
ный; 5 — ПАА с акрилатами кальция; в —
ПАА № 72 с имидными связями; 7 — ПАА
с имидными связями; 8 — ПАА с акри-
латами кальция; 9 — промышленный
ПАА
сшивок, раствор мономера перед полимеризацией обрабатывали
содой. При этом кальций осаждался в виде карбоната
(СН2=СН—COO)2Ca + NaCO3 > 2СН2=СН—COONa + СаСО3
и его отфильтровывали.
Концентрацию акриламида в полученных растворах опре-
деляли полярографически, а с помощью бромид-броматного ме-
тода — содержание суммы непредельных соединений. Разница
в полученных результатах дает возможность определить присут-
ствующее в растворе полярографически неактивное непредельное
соединение — имид акриловой кислоты. При полимеризации
получали сополимеры акриламида и имида.
Результаты опытов по фильтрации растворов синтезированных
полимеров представлены на рис. 44, где показана зависимость
отношений подвижностей воды до закачки ПАА к подвижности
раствора полимера от скорости движения в пористой среде. Для
сравнения показаны кривые, полученные для двух промышленных
образцов ПАА.
При анализе полученных результатов обращает на себя вни-
мание прежде всего то обстоятельство, что подвижность растворов
синтезированных полимеров, содержащих акрилаты кальция,
значительно ниже подвижности растворов промышленных образ-
цов той же молекулярной массы, фильтрующихся в пористой
среде примерно равной проницаемости. Подтверждением этому
может служить сравнение кривых 5 и 8 с кривой 9. В этих трех
опытах использовали полимеры с достаточно близкими молеку-
4* 99
лярными массами, проницаемость пористой среды также слабо
менялась (0,81—1,0 Д). Однако подвижность растворов полимеров,
содержащих акрилаты кальция, оказалась в 3—5 раз ниже по-
движности промышленного ПАА. Объясняется это тем, что в этом
полимере присутствует определенная часть ассоциатов и сшитых
структур, неспособных проникнуть в пористую среду, но завыша-
ющих величину средневзвешенной молекулярной массы. Несмотря
на то что характер течения синтезированных и промышленных
образцов идентичен (псевдопластичность, переходящая в дила-
тансию), принципиальное отличие заключается в том, что поли-
меры с акрилатами кальция (лабораторные образцы) фильтруются
без затухания и аномального скачка давления на входе в образец.
Распределение давления вдоль пути фильтрации линейное. Ана-
логичные выводы можно сделать при сравнении кривых 1 и 2
с кривой 3. Растворы лабораторных полимеров достаточно высокой
молекулярной массы (опыты 1 и 2) фильтруются также без зату-
хания при линейном распределении давления.
Несколько хуже проходит течение полимеров с имидами.
Несмотря на то, что при их течении наблюдается достаточно высо-
кий фактор сопротивления на некотором расстоянии от входного
участка керна (опыты 4, 5 и 7), значительная часть ассоциатов
отфильтровывается на торце керна, что приводит к аномальному
росту давления на входе.
Сравнение результатов, полученных в опытах по фильтрации
гомополимеров линейного строения (см. рис. 44) с результатами
течения аналогичных полимеров, но имеющих умеренное количе-
ство сшитых структур, показывает, что во втором случае наблю-
дается значительно большее снижение подвижности — от 2 до
5 раз. Это чрезвычайно важно, так как создается возможность
регулировать подвижность раствора полимера при его течении
в пористой среде созданием заданного количества поперечных
связей между макромолекулами. Здесь предпочтение следует от-
дать диссоциирующим связям через поливалентные катионы,
следует избегать имидные связи, поскольку они ухудшают рас-
творимость полимера и условия фильтрации, забивая входное
сечение пористой среды.
Таким образом, результаты опытов позволяют сделать два
основных вывода: во-первых, плохо фильтруются некоторые про-
мышленные образцы ПАА из-за имидных связей, которые допол-
няются акрилатами кальция или железа; во-вторых, присутствие
в растворах умеренного количества диссоциирующих поперечных
связей не ухудшает фильтрационные свойства полимера и по-
зволяет регулировать подвижность раствора ПАА. Этот вывод
не может быть распространен на растворы гидролизованных ПАА
в жестких высокоминерализовапных водах, так как в них обра-
зуется избыточное количество сшитых ассоциатов и фильтруются
они с сильным затуханием.
Уже отмечалось, что разрушить имидные связи можно щелоч-
100
ным гидролизом ПАА. Это способствует улучшению фильтрации
его растворов [62].
Поскольку молекулярно-массовое распределение ПАА может
оказаться определяющим параметром при фильтрации растворов
полимера, необходима количественная его оценка. Определение
степени полидисперсности методом светорассеяния, который до-
вольно широко был использован нами, не всегда дает достаточную
информацию о молекулярно-массовом распределении. Более пол-
ную информацию о полидисперсности полимера можно получить
разделением его на отдельные фракции, содержащие макромоле-
кулы относительно близкие по молекулярной массе, с последу-
ющим определением количества каждой фракции и ее молекуляр-
ной массы.
Фракционирование ПАА проводили методами осаждения и
растворения, основанными на различной растворимости молекул
полимера в зависимости от молекулярной массы.
Сущность метода осаждения состоит в том, что при дозирован-
ном добавлении к раствору полимера осадителя происходит
последовательное осаждение фракций, начиная с наиболее вы-
сокомолекулярной.
Метод растворения предусматривает последовательную обра-
ботку полимера смесями растворителя и осадителя: доля раствори-
теля последовательно увеличивается, в раствор сначала переходят
наиболее низкомолекулярные фракции, а затем фракции с возра-
стающей молекулярной массой.
Как показали исследования, метод растворения в наших
условиях дал лучший результат.
Проводили фракционирование промышленных образцов ПАА
известкового и аммиачного способов очистки.
На рис. 45 приведен типичный спектр молекулярно-массового
распределения одной из партий ПАА известкового способа очи-
стки. Из полученных данных следует, что молекулярная масса
фракций ПАА колеблется в широком диапазоне от 0,548-10е
до 3,9-10е. Широкий размазанный максимум дифференциальной
кривой соответствует колебаниям молекулярной массы от 0,5 -106
до 1,5-10е. что свидетельствует о большой полидисперсности
полимера. Около 5—6% от массы полимера составляют молекулы
с молекулярной массой (3,0—3,9)-10е, что соответствует фрак-
циям V, VI.
Наблюдения показывают, что полимер, полученный во фрак-
циях IV, V и VI, почти не растворялся в холодной воде, с трудом
растворялся в воде, нагретой до 30—40° С. При 150° С из раствора
выпадал осадок. Плохую растворимость указанных фракций
можно объяснить наличием ассоциатов сшитых молекул.
Средняя молекулярная масса ПАА, вычисленная по данным
фракционирования, составляет 1,4-10е, что хорошо согласуется
с величиной, полученной непосредственным определением моле-
кулярной массы (1,57-10е).
101
ТАБЛИЦА 18
СВОЙСТВА ПОЛИМЕРОВ
Номер опыта Реагент Молекуляр- ная масса, М • 10е Степень гидролиза, %
1 Промышленный ПАА-1 2,0 6
2 ПАА «Сепаран» КР-30 (США) 2,5 25
3 Промышленный ПАА-2 3,0 19
4 ПАА Пушер-500 (США) 4,6 32
5 ПАА Пушер-700 (США) 6,2 27
Полиакриламид аммиачной очистки характеризуется лучшей
растворимостью по сравнению с ПАА известковой очистки, оче-
видно, из-за низкой молекулярной массы.
Полиакриламид, переосажденный ацетоном, характеризуется
большой неоднородностью по величине молекулярной массы,
так как спектр располагается в широком интервале их значений.
Молекулярная масса фракции ПАА колебалась от 0,16-10е до
3-106.
Средняя молекулярная масса, рассчитанная по данным фрак-
ционирования, составляла 0,6-106.
Исследования, приведенные по фракционированию полиакрил-
амида, показали, что 3—6% от массы полимера представлены
ассоциатами макромолекул значительных размеров, которые рас-
творялись в воде только при нагревании.
Присутствие в растворах промышленных образцов ПАА ча-
стично сшитых молекул приводит не только к затуханию фильтра-
ции и к нелинейному распределению давления по длине керна,
но сказывается также на форме реологических кривых, получен-
ных на входном участке керна и в отдалении от него. В этом отно-
шении показательна серия опытов, проведенная с полимерами
промышленного производства (табл. 18). Все растворы были
приготовлены в 2%-ном растворе NaCl, концентрация полимера
0,05%. Пористой средой служил искусственно сцементированный
песчаник проницаемостью 0,4—0,5 Д. Опыты проводили по стан-
дартной методике, однако зависимость отношения подвижности
воды и раствора ПАА от скорости строили не только для участка,
удаленного от входа, но и для начального участка керна по заме-
рам давления перед кернодержателем.
Зависимость отношения подвижности воды и растворов ПАА
от скорости течения показана на рис. 46. Кривые 1—5 построены
по результатам измерений на входном участке керна длиной 3 см,
а кривые Г—5' соответствуют условиям фильтрации на остальной
части керна, удаленной от входа. (Номера кривых на рис. 46
соответствуют номерам опытов в табл. 19.)
Из рисунка видно, что подвижность растворов ПАА па входном
участке керна значительно ниже, чем в удаленной от него части.
102
Рис. 45. Интегральная и дифферен-
циальная кривые молекулярной массы
известкового полиакриламида (фрак-
ционирование методом растворения)
известкового ПАА
Рис. 46. Фильтрация раствора по-
лиакриламида через пористую среду:
1, 2, 3,4, 5 — на входном участке керна
длиной 3 см; 1', 2', 3‘, 4', 5’ — на осталь-
ной части керна длиной 19 см; 1 — ПАА;
2 — ПАА «Сепаран» КР-30 (США); 3 —
ПАА-1; 4 — ПАА Пушер-500 (США); 5 —
ПАА Пушер-700 (США)
Исключение составляет только раствор ПАА-1, для которого
получено полное совпадение указанных кривых, так как фильтро-
вали этот раствор при линейном распределении давления вдоль
керна без затухания.
Результаты последних опытов убедительно показывают, что
при изучении реологических свойств растворов полимеров пред-
ставительные результаты можно получить только при измерении
давления в промежуточных точках пористой среды. Входные
эффекты могут сильно исказить результаты не только с количе-
ственной стороны, но и с качественной.
Опыты показывают, что для растворов промышленных поли-
меров в области малых скоростей на входном участке чаще всего
реализуется псевдопластический характер течения, в то же время
в отдалении от него тот же раствор полимера может проявлять
дилатантные свойства. Поэтому нет ничего удивительного, что
для растворов с близкими физико-химическими свойствами у раз-
ных исследователей получаются различные типы реологических
кривых.
ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПРОНИЦАЕМОСТИ ПОРИСТОЙ СРЕДЫ
ГИПОХЛОРИТОМ НАТРИЯ И КАЛЬЦИЯ
Затухание фильтрации растворов промышленного ПАА в ре-
зультате отфильтровывания части макромолекул полимера приво-
дит к резкому снижению приемистости нагнетательных скважин.
103
На Орлянском месторождении частичное восстановление при-
емистости после закачки раствора ПАА достигалось солянокислот-
ной обработкой. В карбонатных коллекторах этот метод может
быть достаточно эффективным.
Следует иметь в виду, что кислота не разрушает полимер,
а только приводит к резкому свертыванию макромолекул в плот-
ные клубки, вследствие чего значительно снижаются фильтра-
ционные сопротивления.
Кроме того, кислота, воздействуя на карбонатный пласт,
образует новые каналы в призабойной зоне нагнетательной сква-
жины. В некоторых случаях солянокислотные обработки не при-
водят к желаемому результату, поэтому необходим метод, доста-
точно эффективно разрушающий отфильтрованный на пористой
среде полимер.
Нами было испытано несколько различных реагентов, способ-
ных частично или полностью разрушать ПАА. Лучшие результаты
были получены с гипохлоритом натрия и кальция, которые яв-
ляются сильными окислителями.
Взаимодействие гипохлоритов с полиакриламидом происходит
по следующей реакции
2[—CH2-CH] + 15NaCl = 6CO2 + 5H2O J-15NaCl + N2
I
conh2
Конечными продуктами окисления ПАА являются вода, угле-
кислый газ и азот.
Для изучения возможности восстановления проницаемости
пористой среды после прокачки через нее больших объемов поли-
акриламида были поставлены специальные эксперименты, которые
проводили на искусственно сцементированной пористой среде.
Керны предварительно насыщали водой, а затем через них филь-
тровали раствор ПАА в больших объемах с тем, чтобы макси-
мально снизить проницаемость керна по воде, которую фильтро-
вали после раствора ПАА. Вследствие отфильтровывания части
макромолекул ПАА на торце образца и в пористой среде проница-
емость ее снижалась в некоторых опытах в десятки раз. Затем
через пористую среду прокачивался гипохлорит натрия или
кальция, который вымывался водой.
Вновь определяли проницаемость керна по воде. Эффектив-
ность действия гипохлорита устанавливали сравнением проница-
емости керна до и после закачки раствора ПАА и гипохлорита.
Почти во всех опытах удавалось восстановить проницаемость
пористой среды практически до исходного значения.
Основные результаты опытов приведены в табл. 19. Экспери-
менты показали, что гипохлорит натрия более эффективен, чем
гипохлорит кальция, который при взаимодействии с полиакрил-
амидом дает нерастворимый в воде осадок (кальциевые соли).
104
ТАБЛИЦА 19
РЕЗУЛЬТАТЫ ОПЫТОВ ПО ВОССТАНОВЛЕНИЮ ПРОНИЦАЕМОСТИ
ПОРИСТОЙ СРЕДЫ ГИПОХЛОРИТОМ ПОСЛЕ ПРОКАЧКИ ПАА
Основные параметры процесса Номера опытов
1 2 3 4
Проницаемость керна по воде до закачки ПАА, Д 1,23 5,55 5,85 6,5
Подвижность раствора ПАА, Д/сП 0,015 0,029 0,001 0,12
Проницаемость керна по воде после закачки ПАА, Д 0,069 0,021 0,067 0,0875
Проницаемость керна по воде после обработ- ки его гипохлоритом, Д 1,15 5,01 5,32 5,46
Давление на входе перед закачкой ПАА, кгс/см2 0,028 0,006 0,006 0,0061
Давление на входе к концу закачки ПАА, кгс/см2 2,370 1,25 24,00 0,815
Давление на входе при фильтрации воды по- сле ПАА, кгс/см2 0,450 1,40 0,55 0,395
Давление на входе при фильтрации воды после обработки керна гипохлоритом, кгс/см2 0,030 0,007 0,006 0,0062
Примечание. Во всех опытах использовали искусственно сцементированные
керны длиной 8,7 см, диаметром 3,0 см; опыты проводили при постоянном расходе
жидкости, равном 95 см3/ч.
Для удаления образовавшегося осадка необходимо после
гипохлорита кальция керн обрабатывать кислотой, которая пол-
ностью растворяет образовавшиеся кальциевые соли.
На промысле целесообразнее применять гипохлорит натрия,
так как в данном случае отпадает необходимость в последующей
кислотной обработке для удаления кальциевых солей.
Гипохлориты являются недорогими и недефицитными реаген-
тами.
При отсутствии гипохлорита натрия для разрушения ПАА
и восстановления проницаемости породы могут быть использо-
ваны растворы гипохлорита кальция в присутствии щелочей.
Действие гипохлорита натрия было испытано в промысловых
условиях.
Глава Ш
ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛИМЕРОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ
ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗАВОДНЕНИЯ
НЕФТЯНЫХ ПЛАСТОВ
ИССЛЕДОВАНИЕ НЕФТЕВЫТЕСНЯЮЩИХ СВОЙСТВ
РАЗБАВЛЕННЫХ РАСТВОРОВ ПОЛИМЕРОВ
Были проведены экспериментальные исследования влияния за-
качки загущенной полиакриламидом воды на нефтеотдачу одно-
родных и неоднородных моделей пласта.
Опыты проводили при постоянной скорости, которую подби-
рали в соответствии с условиями приближенного моделирования.
Эксперименты вели как с погребенной водой, так и без нее. Ото-
рочки ПАА закачивали на разных стадиях заводнения. Прирост
нефтеотдачи оценивали по сравнению с расчетным значением,
полученным обработкой начального участка кривой зависимости
нефтеотдачи от объема закачанной жидкости в полулогарифми-
ческих координатах. Кроме того, ставили контрольные опыты,,
в которых вытеснение осуществлялось только водой.
Влияние раствора ПАА на коэффициент вытеснения
Исследования проводили на линейных моделях пласта длиной
105 и 180 см, представленных несцементированным кварцевым
песком. Проницаемость менялась в широком интервале от 0,55
до 25,8 Д, но большая часть опытов проведена на моделях с про-
ницаемостью 2—3 Д.
В первой серии опытов связанная вода не создавалась: нефть,
пласта Дп Ново-Запрудненского месторождения вязкостью 6 сП
при постоянной скорости фильтрации 2,2-10’3 см/с в одних опытах
вытеснялась непосредственно раствором ПАА, в других предва-
рительно водой до обводненности 98—100%, а затем раствором
ПАА (с = 0,05%).
Средние значения нефтеотдачи, полученные по результатам
этой серии опытов, приведены ниже.
Нефтеотдача Безводная, % Конечная, %
При вытеснении водой ....................... 55,2 79,0
При вытеснении раствором негидролизованного
ПАА ........................................ 63,1 83,5
При вытеснении нефти раствором негидролизо-
ванного ПАА в промытом водой пласте . . — 82,7
При вытеснении нефти раствором гидролизован-
ного ПАА ................................... 67,2 88,3
106
Рис. 47. Зависимость нефтеотдачи
от суммарного объема прокачанной
жидкости при вытеснении нефти
из однородной модели пласта раз-
ными агентами:
1 — водой; 2 — негидролизованным ПАА;
3 — раствором гидролизованного ПАА
Результаты опытов показали, что вытеснение нефти раствором
полиакриламида приводит к увеличению конечной нефтеотдачи
на 5 —10% по сравнению с водой. Прирост безводной нефтеотдачи
однородных моделей пласта составил 8—12%.
При одинаковой концентрации ПАА — 0,05% более эффектив-
ным оказался гидролизованный полиакриламид, вязкость кото-
рого более чем в два раза превышала вязкость негидролизованного
(соответственно 5,57 и 2,43 сП, рис. 47).
Опыты по вытеснению нефти растворами ПАА из пластов,
содержащих погребенную воду, показали, что вследствие образо-
вания вала погребенной воды вязкость раствора полимера на
фронте снижается, что приводит к уменьшению эффективности
по сравнению со случаем, когда связанная вода отсутствует.
Однако во всех экспериментах нефтеотдача при использовании
загущенной воды была несколько выше, чем при вытеснении
обычной водой (табл. 20), что согласуется с результатами ра-
бот [50, 61]. _
ТАБЛИЦА 20
ИССЛЕДОВАНИЕ НЕФТЕОТДАЧИ ПРИ ВЫТЕСНЕНИИ НЕФТИ ВОДОЙ
И РАСТВОРАМИ ПАА ИЗ ОДНОРОДНОЙ ПОРИСТОЙ СРЕДЫ
С ПОГРЕБЕННОЙ ВОДОЙ
Прони- цаемость, Д Вязкость нефти, сП Водонасы- щенность, % Вязкость вытесня- ющей жидкости, сП Безводная нефтеотда- ча, % Конечная нефтеотдача, %
5,05 9,44 16,1 1 . 74,5
3,44 13,30 21,3 1 — 73,2
2,11 15,00 23,2 1 50,4 75,5
3,12 8,70 19,9 1 57,5 74,5
2,84 8,90 20,4 1 55,8 75,3
2,92 8,70 19,0 2,68 57,5 77,0
2,94 8,90 21,3 3,30 58,7 80,7
3,17 8,90 20,2 2,60 —. 78,0
3,03 8,90 21,4 5,40 57,3 80,7
3,44 8,80 18,7 6,30 59,6 82,3
107
В 1968 г. в Куйбышевской области на северном куполе пласта
А4 Орлянского месторождения началось опытно-промышленное
заводнение с применением загустителя воды — полиакриламида.
Для составления технологической схемы разработки опытного
участка определены коэффициенты вытеснения по кернам данного
пласта при вытеснении модели нефти водой и раствором полиак-
риламида.
Для опытов использовали кернодержатель с гидрообжимом,
в который помещали колонку кернов диаметром 3 и длиной
22,3 см. Было проведено три опыта. В первых двух опытах средне-
взвешенные значения пористости и проницаемости составили
соответственно 23,1% и 0,23 Д, а в третьем — 28,9% и 0,72 Д,
что примерно соответствует естественным условиям.
Торцы кернов были тщательно притерты. Для снятия концевых
эффектов по обе стороны колонки кернов был подсыпан кварцевый
песок, который поджимался перфорированными втулками. В пер-
вом опыте связанная вода не создавалась. Второй и третий опыты
были проведены на тех же кривых, но со связанной водой в коли-
честве 9,95 и 31% от объема пор, соответственно.
В опытах использовали смесь нефти пласта А4 Орлянского
месторождения с керосином. Вязкость модели нефти составляла
6,09 сП, в первых двух опытах и 5,73 сП в третьем.
Вытеснение нефти проводили водой в автомодельной области
при постоянной скорости фильтрации 2,57-10-4 см/с (6,7 м/мес).
После прокачки воды в количестве трех объемов порового про-
странства обводненность продукции практически составляла
100%. Последующая закачка раствора ПАА вязкостью 2,4 сП
привела к снижению остаточной нефтенасыщенности в первых
двух опытах примерно на 10% от объема порового пространства.
В третьем опыте коэффициент вытеснения возрос с 60,1 до 66,7%
в результате применения раствора ПАА 0,015%-пой концен-
трации.
Как известно, на процесс вытеснения нефти водой существен-
ное влияние оказывает реология вытесняющей и вытесняемой
сред и соотношение вязкостей нефти и воды, особенно при вытес-
нении вязких жидкостей. Вязкость нефти может быть уменьшена
различными способами: повышением температуры, нефтяными
растворителями, растворением газа.
Возникает вопрос: будет ли коэффициент нефтеотдачи одинаков
(при прочих равных условиях) при одинаковом уровне вязкости,
полученном различными способами, в частности, применением
растворителя и добавлением газа?
В связи с этим были проведены экспериментальные исследо-
вания по вытеснению из пористой среды рабочих жидкостей водой.
Для этого была собрана экспериментальная установка, моде-
лирующая однородный пласт и состоящая из колонки с пористой
средой, контейнера для вытесняющего агента, баллона высокого
давления, регистрирующих и измерительных приборов.
108
Пористой средой служил мелкозернистый кварцевый песок,
проницаемость которого определяли по известной методике. Во
всех экспериментах она составила 0,8 Д.
В качестве модели нефти использовали трансформаторное
масло.
Были проведены две серии опытов. Вязкость трансформатор-
ного масла снижали добавлением в него растворителя — керосина
и растворением в нем природного газа.
В обоих случаях уровень вязкости контролировали отноше-
нием /с/ц (для трансформаторного масла -{- керосин /с/ц = 0,63;
для трансформаторного масла + газ /с/р, = 0,65, Г = 15 см3/см3).
Отсюда, считая, что уровень вязкости в обоих случаях одинаков,
можно предположить, что и к/ц одинаковы.
Исследования проводили при постоянной температуре, равной
30° С, и перепаде давления, равном 1 кгс/см2, при этом вытеснение
газированной жидкости производили при давлении выше давления
насыщения, которое составляло 90 кгс/см2.
Эксперимент считали законченным после прокачки через пори-
стую среду трех поровых объемов воды.
Для первого случая безводный коэффициент нефтеотдачи
составил T]i = 0,21, а конечный коэффициент нефтеотдачи т]2 =
= 0,57; для второго — безводный коэффициент нефтеотдачи ц" =
= 0,27, а конечный коэффициент т]з = 0,65. Из сравнения полу-
ченных данных следует, что при прочих равных условиях коэф-
фициенты нефтеотдачи для случая газированной жидкости выше.
Отметим дополнительно, что эффект значительно превышает
погрешность эксперимента и может быть объяснен кинетическими
процессами.
Исследование коэффициента нефтеотдачи
неоднородных пластов при закачке ПАА
Влияние оторочки раствора ПАА на коэффициент охвата
пласта изучали на моделях с различной неоднородностью.
Опыты вели на спаренных линейных моделях разной прони-
цаемости с общим входом. Моделировали пласт с разобщенными
пропластками. Отношение проницаемостей kjk^ в разных опытах
изменяли в пределах 6,5—14,1. После прорыва воды по высоко-
проницаемому пропластку обводненность продукции быстро воз-
растала. Нефтеотдача на момент закачки ПАА при обводненности
продукции 96—98% в разных опытах была различной (от 33
до 57%). Закачка оторочки ПАА во всех опытах приводила к пере-
распределению потока: расход по высокопроницаемому слою
уменьшался, а по малопроницаемому соответственно увеличи-
вался. Обводненность при этом уменьшалась, а нефтеотдача увели-
чивалась в среднем на 14%.
Серия опытов была выполнена на плоских объемно-прозрачных
моделях с различным характером и степенью неоднородности.
109
Основная часть исследований проведена на моделях размером
116 X 26 X 1 см со слоистой неоднородностью при отношении
проницаемостей и мощностей слоев соответственно kjk^ = 5,4
и = 0,28. Пористую среду моделировали кварцевым песком
различного фракционного состава. Для уплотнения пористой
среды в моделях создавали гидрообжим. В опытах использовали
сырые нефти с вязкостью 6,0—8,8 сП и их смесь с трансформатор-
ным маслом (1 : 1) вязкостью 15 сП.
Постоянную скорость фильтрации подбирали таким образом,
чтобы процесс вытеснения шел при значении параметра
j-j <Т COS 0 /."о'*'^2 _ 15 2
т. е. в области преобладания гидродинамических сил над капил-
лярными, что является характерным для условий разработки
большинства месторождений.
’ Значение напряжения смачивания п cos 0 находили экспери-
ментально из специально поставленных в аналогичных условиях
опытов по противоточной капиллярной пропитке. В опытах изме-
ряли суммарный объем прокачанной жидкости, давление перед
входом в модель, расход нефти и воды. Движение фронта вытесне-
ния фиксировали покадровой киносъемкой и фотосъемкой.
1 При вытеснении нефти водой охват модели пласта при обвод-
Y ненности 90—100% получался сравнительно небольшим, так как
' вода прорывалась по высокопроницаемым слоям, оставляя не-
1/ выработанными малопроницаемые участки. Закачка оторочки
полиакриламида на том или ином этапе заводнения приводила
к значительному увеличению площадного охвата, что наблюдалось
визуально. Обводненность продукции при этом резко уменьши-
лась, а нефтеотдача существенно увеличилась.
Основные результаты опытов представлены в табл. 21, откуда
видно, что нефтеотдача увеличилась на 6,6—23%. Закачка ПАА
с начала вытеснения приводила к резкому возрастанию безводной
нефтеотдачи.
Результаты опытов, проведенных на модели с зональной
неоднородностью и с содержанием связанной воды в количестве
7% от объема пор, приведены на рис. 48.
Кривая I показывает вытеснение нефти раствором гидроли-
зованного ПАА, II — вытеснение нефти водой до 85% обводнен-
ности с последующей закачкой раствора ПАА, III — вытеснение
нефти водой до конца процесса. В опытах II—III безводная нефте-
отдача составила примерно 28%, а в опыте I при непосредственном
вытеснении нефти раствором ПАА — 51%. При закачке ПАА
в частично обводненный пласт обводненность продукции снижа-
лась при одновременном резком изменении хода зависимости
кривой нефтеотдачи. На конечной стадии в обоих случаях при-
менения ПАА получено увеличение нефтеотдачи на 23% по срав-
нению с нефтеотдачей при вытеснении нефти водой.
110
1,2 2,4 36
Суммарный обгем прокачанной жид-
кости, V„Of,
Рис. 48. Зависимость нефтеотдачи
и обводненности от суммарного объ-
80°а- ема прокачанной жидкости при вы-
№ § теснении нефти из неоднородной
$ пористой среды:
а — вязкость нефти 6,4 сП: 1 — нефтеот-
/gi дача; 2 — обводненность; б — вязкость
2“ «о нефти 8,8 сП: I и 1' — закачка раствора
ПАА с начала процесса; 11 и 11' — за-
д качка оторочки раствора ПАА; III и
1IV — закачка воды с начала и до конца
процесса; в — вязкость нефти 15 сП; А —
начало закачки оторочки раствора ПАА
Значительно больший эффект получен при вытеснении смеси
нефти пласта Дп Новозапрудненского месторождения с транс-
форматорным маслом вязкостью 15 сП из модели, не содержащей
связанной воды (см. рис. 48, в). В этом опыте фронт продвигался
очень неравномерно. Нефтеотдача на момент прорыва воды соста-
вила всего 8,6%. Обводненность быстро возросла до 91,5%. За-
качка оторочки гидролизованного полиакриламида и последующее
вытеснение ее водой привели к значительному увеличению охвата
пласта. В результате обводненность снизилась до 20%. На момент
суммарной закачки воды в количестве 2 объемов пор расчетное
значение нефтеотдачи составило 31,5% , а фактическая нефтеотдача
оказалась равной 75%. В аналогичном опыте, но с 7% связанной
воды нефтеотдача увеличилась на 23,5%.
Обобщая результаты опытов по вытеснению нефти растворами
ПАА, можно констатировать, что загущение воды приводит к уве-
личению безводной и конечной нефтеотдачи. При равных объемах
закачки нефтеотдача при вытеснении раствором ПАА существенно
выше, чем при вытеснении водой.
111
ТАБЛИЦА 21
ПОКАЗАТЕЛИ ВЫТЕСНЕНИЯ НЕФТИ ВОДОЙ И РАСТВОРОМ ПАА
ИЗ НЕОДНОРОДНОЙ МОДЕЛИ ПЛАСТА
(рн = 8,8 сП, ПАА ИЗВЕСТКОВЫЙ ГИДРОЛИЗОВАННЫЙ,
с=0,05%, цр = 6,4-7,1 сП)
Номер опыта Безводная нефте- отдача, % Показатели на момент закачки полиакриламида Объем оторочки ПАА, % от объема пор Суммарный объем прокачанной жидкости, в объе- мах пор Конечная нефте- отдача, % Прирост нефте- отдачи, %
закачано воды, объем пор ободнен- ность, % нефтеотда- ча, %
1 22,4 2,83 96,5 53,8 1,15 6,2 71,6 6,6
2 19,57 1,10 93,5 49,0 0,90 2,6 72,5 9,0
3 24,4 1,64 93,0 51,1 1,00 3,2 72,9 9,0
4 23,4 1,38 84,3 51,2 0,75 3,0 73,1 10,0
5 50,8 0,0 0,0 0,0 1,95 1,95 85,0 23,0
6 51,1 0,0 0,0 0,0 0,30 2,00 81,9 20,1
Примечание. 1,2,3 — слоисто-неоднородная модель (пласт двухслойный,
fei/fei=5,4); 4, 5, 6 — неоднородность случайная.
Объем оторочки влияет на нефтеотдачу. Показано, что опти-
мальный размер оторочки находится в пределах 20—40% от
объема пор пласта, а концентрация полимера в растворе от 0,01
до 0,05 вес. %.
Наибольший эффект от применения данного метода следует
V ожидать для неоднородных пластов, содержащих высоковязкую
нефть. Закачку оторочки загустителя целесообразно проводить
на ранней стадии разработки. Это позволит увеличить безводную
( нефтеотдачу, сократить расход рабочего агента и сроки разра-
j ботки, а также уменьшить эксплуатационные расходы на подъем
^жидкости из пласта, деэмульсацию и т. д.
Ранее отмечалось, что нефтеотдача неоднородных пластов
в значительной степени определяется скоростью противоточной
капиллярной пропитки. Применение в качестве вытесняющего
агента загущенной воды вызвало опасение, что скорость капил-
лярной пропитки при этом может быть уменьшена.
Для проверки этого предположения были проведены опыты
по противоточной капиллярной пропитке водой и раствором
ПАА.
Исследования проводили на плоских прозрачных моделях
размером 400 X 135 X 11,5 мм, изготовленных из органического
стекла. Для обжима пористой среды использовали нефтестойкую
резину толщиной 2 мм.
Насыпная модель пористой среды была составлена из двух
частей, моделирующих слоистую неоднородность: а) песок Чапа-
112
Рис. 49. Противоточная капиллярная про-
питка пористой среды,, насыщенной керо-
сином:
1 —пропитка водой; 2— пропитка 0,05%-ным
раствором ПАА
евского карьера проницаемостью 5 Д (365 X 135 мм), б) песок
Люберецкого карьера проницаемостью 25 Д (35 X 135 мм).
Модель оборудована так, что можно фильтровать жидкость
в двух взаимно перпендикулярных направлениях.
Методика проведения опытов заключалась в следующем.
Модель под вакуумом насыщали водой, которую затем вытес-
няли воздухом. После продувки с модели снимали верхнюю
крышку и вода испарялась до заданного содержания, контролиру-
емого взвешиванием.
Далее модель насыщали последовательно керосином и нефтью
пласта Дг Ново-Запрудненского месторождения с вязкостью
|iH = 9,3—12 сП. Если опыт проводили без связанной воды, то
модель насыщали очищенным керосином под вакуумом обычным
методом.
Приготовленную таким образом модель ставили на капилляр-
ную пропитку. Воду или раствор ПАА фильтровали через высоко-
проницаемый слой, а вытеснение нефти из низкопроницаемого
слоя происходило за счет противоточной пропитки. Пропитывали
модель водой или раствором известкового гидролизованного ПАА
в дистиллированной воде. Результаты опытов, приведенные на
рис. 49, подтвердили предположение о снижении скорости и
интенсивности капиллярной пропитки при вытеснении керосина
раствором ПАА по сравнению с водой. Однако в опытах с есте-
ственной нефтью результаты получились совершенно иными.
Опыты проводили па моделях с примерно одинаковым коли-
чеством связанной воды— 17,3—17,5%.
В условиях опытов скорость противоточной капиллярной
пропитки раствором ПАА оказалась примерно равной скорости
пропитки водой. Отчасти этот эффект, видимо, объясняется вли-
янием связанной воды, но основной причиной следует считать
проявление раствором ПАА поверхностно-активных свойств на
границе с полярными углеводородными жидкостями.
Исследованиями было установлено, что при контакте раствора
ПАА с неполярной углеводородной жидкостью (очищенный керо-
син) заметных изменений поверхностных явлений не наблюдалось.
Однако при контакте раствора ПАА с полярной углеводородной
жидкостью (нефтью или неочищенным маслом) заметно снижалось
ИЗ
межфазное натяжение. Предполагается, что на границе раздела
фаз происходит взаимодействие нафтеновых кислот нефтей с из-
бытком щелочи раствора ПАА. Образующийся при этом нафтенат
натрия равновесно распределяется в обеих фазах, способствуя
снижению межфазного натяжения на границе водная фаза —
углеводородная жидкость.
Растворы ПАА готовили на дистиллированной воде, время
контакта с нефтью 3—5 суток. Поверхностное натяжение раство-
ров ПАА измеряли на границе с очищенным керосином, а нефтей —
на границе с дистиллированной водой.
Поверхностное натяжение растворов гидролизованного ще-
лочью ПАА после контакта с нефтью практически не изменилось,
но поверхностное натяжение нефти снизилось на 7 дин/см2. Кроме
определения поверхностных свойств растворов ПАА были изме-
рены краевые углы в системе кварц — нефть — вода (раствор
ПАА).
Измерения проводили на оптической шкале по стандартной
методике. Результаты измерений показали, что раствор ПАА
обладает гидрофилизирующими свойствами. Были проведены две
серии опытов. В первой серии использовали нефть пласта А4
Орлянского месторождения, а во второй — пласта Б2 Якушкин-
ского месторождения. Измеряли краевой угол в системе кварц —
нефть — вода, а затем кварц — нефть — раствор ПАА концентра-
ции 0,05%. При работе с нефтью пласта А4 Орлянского место-
рождения краевой угол (средний из 13 определений) в системе
кварц — нефть — вода составил 42° 09', а на границе с раствором
ПАА в тех же условиях средний краевой угол оказался равным
5° 56'. Во второй серии краевой угол снизился с 64° 46' до 18° 22'
при переходе с замеров на границе с водой на замеры краевого
угла в системе кварц — нефть — раствор ПАА.
Результаты проведенных исследований показывают, что в ре-
альных условиях скорость противоточной пропитки раствором
ПАА не будет значительно отличаться от скорости пропитки водой,
т. е. охват пласта за счет взаимодействия сообщающихся слоев
при использовании ПАА не должен уменьшиться.
По окончании опытов полноту вытеснения нефти в некоторых
опытах проверяли экстракцией в аппаратах Закса. Пробы для
анализа отбирали из высокопроницаемого слоя, из середины
низкопроницаемого и в концевой части модели. В высокопроница-
емом слое водонасыщенность при вытеснении раствором ПАА
оказалась 85,2%, а при вытеснении водой — 70%.
В низкопроницаемом участке нефтеотдача за счет пропитки
оказалась в обоих случаях весьма близкой. В средней части при
пропитке водой — 77,8%, а при пропитке раствором ПАА —
74,8%. В концевой части модели — соответственно 41,5 и 41,2%.
Таким образом, можно считать, что эффективность вытеснения
нефти при противоточной пропитке водой и растьором ПАА при-
мерно одинакова.
114
АНАЛИЗ ПРОМЫСЛОВЫХ ИСПЫТАНИЙ ПРИМЕНЕНИЯ
ПОЛИМЕРНОГО ЗАВОДНЕНИЯ ЗА РУБЕЖОМ 1
Отечественные и зарубежные исследования, проведенные за
последнее десятилетие в СССР и за рубежом в области полимер-
ного заводнения, показали, что одним из основных показателей,
определяющих эффективность процесса, является отношение по-
движностей вытесняемой и вытесняющей жидкостей [82, 87, 93,
94]. Использование в качестве загустителей глицерина, сахара,
полигликоля и т. д., хотя и показало большую эффективность
по сравнению с обычным заводнением, но по экономическим сооб-
ражениям не нашло широкого практического применения [70,
87, 89, 100].
Использование сравнительно недорогих высокомолекулярных
соединений позволило регулировать подвижность воды в про-
мышленных масштабах. Однако, несмотря на большое число
известных полимеров, не все они одинаково пригодны в качестве
загустителей воды из-за низкой вязкости, высокой адсорбционной
способности, температурной и временной деструкции, плохой
фильтруемости и т. д. Наиболее эффективными оказались поли-
меры (с молекулярной массой 1-106) следующих трех типов:
1) полимеры на основе акриламида, в частности, гидролизован-
ные полиакриламиды:
2) полиоксиэтилены;
3) полисахариды.
Детальное изучение различных процессов, связанных с поли-
мерным заводнением, опубликовано в ряде обзорных работ [88,
91, 97, 98 и др.]. В них рассмотрен широкий круг вопросов, многие
из которых к настоящему времени достаточно хорошо изучены.
Однако некоторые пока еще полностью не решены, так как полу-
ченные разными исследователями результаты в некоторых слу-
чаях оказались противоречивыми. Вследствие этого по многим
важным аспектам полимерного заводнения все еще не выработано
единого мнения. Ниже мы остановимся несколько подробно на
этих вопросах.
Впервые промысловые испытания полимерного заводнения
были осуществлены фирмой Дау кемикл К° в 1959 г. Положи-
тельные результаты проведенных испытаний дали основание для
проведения серии опытных заводнений, в ходе которых была
показана экономическая целесообразность закачки оторочек рас-
твора полимера по сравнению с непрерывной закачкой и выявлена
важная роль правильного выбора стадии разработки залежи,
на которой используется метод. Опытные работы были завершены
промышленным применением метода на месторождении Альбрехт.
1 В связи с тем, что недавно в печати появился обзор [50] зарубежных иссле-
дований в области полимерного заводнения, в этом параграфе мы ограни-
чимся лишь последними исследованиями и некоторыми общими вопросами.
115
Фирма Юнион ойл (Union Oil) провела четыре промысловых
испытания по закачке ПАА с использованием обычного заводне-
ния. Испытания проводили в пластах с различными нефтями.
Добыча увеличивалась почти во всех случаях. Было установлено,
что закачка оторочек полимера сравнительно больших объемов
(20—30% от первоначального объема нефти в пласте) эффективнее
закачки малых оторочек высокой концентрации при одинаковом
количестве израсходованного реагента в обоих случаях [81].
Положительные результаты промысловых экспериментов дали
компании возможность начать проведение промышленного вне-
дрения метода на двух месторождениях.
Позднее заводнение с применением полимеров начали при-
менять другие фирмы как в опытных, так и в промышленных
масштабах [67, 76, 83 и др.].
Результаты первых проектов по осуществлению такого за-
воднения в США, Канаде и Южной Америке подробно освещены
в работах [68, 86], где показано, что диапазон эффективного
использования применения загустителей весьма широк. Однако
этот метод не универсален и лимитируется:
наличием большой газовой шапки;
сильно развитой трещиноватостью;
наличием активной подошвенной воды.
Наконец, применение полимеров может оказаться нерента-
бельным, если обычное заводнение является достаточно эффек-
тивным.
В работе [81] проанализированы результаты реализации
61 проекта заводнения с применением полимера Пушер. Эти
заводнения проводили с участием фирмы Дау кемикл К° в период
с 1964 до середины 1969 г. Из них 38 проектов осуществлены на
опытных участках, а 23 — в широких масштабах. Из 29 заводне-
ний, результаты по которым надежно обоснованы, удачных ока-
залось 14. Из оставшихся 32 заводнений в 16 случаях пласты
оказались непригодными для данного метода, а 16 заводнений
начаты недавно и не позволяют сделать обоснованной оценки.
По первым 29 заводнениям можно сделать следующие выводы.
Большинство заводнений проведено в песчаных пластах, три в из-
вестняках и одно в доломитах. По всей видимости, предпочтение
песчаникам сделано не случайно, так как согласно эксперимен-
тальным данным величина адсорбции в них значительно меньше,
чем в известняках, и они имеют большую, чем песчаники, трещи-
новатость, что для процесса является негативным. Однако все три
заводнения в известняках оказались удачными, т. е. тип коллек-
тора не является определяющим при выборе объекта заводнения.
Испытания дали положительные результаты в широком диапа-
зоне отношений подвижностей воды и нефти (от 0,1 до 42) при
вязкости нефти до 126 сП, ожидается, что такие же результаты
могут быть получены на месторождениях с вязкостью нефти до
250 сП, но при вязкостях 435 и 1250 сП метод оказался нерента-
116
бельпым. Заметим, что в [95] верхний предел вязкости принят
равным 400 сП, а в [81] только 50 сП.
Неоднородность пластов характеризовалась коэффициентом
вариации Дикстра — Парсонса [81]. Испытания были успешными,
когда этот коэффициент изменялся в пределах 0,28—0,80, а также
в пластах, имевших среднюю проницаемость в пределах от 20
до 2300 мД.
Глубина залегания пластов, в принципе, не является лимити-
рую щим фактором, но при температуре выше 149° С может проис-
ходить деструкция полимера даже при отсутствии кислорода.
Важное значение имеет объем закачиваемого раствора поли-
мера. В успешных проектах заводнения он изменялся от 7 до 33%
порового пространства. Концентрация раствора составляла
0,025—0,05%. В трех случаях при оторочках 0,1—0,2% объема
пор использовали концентрации 0,1—0,25%, но безуспешно.
На эффективность процесса заводнения оказывает влияние
степень истощенности пласта. Реализация полимерных заводнений
была успешной в 12 случаях из 16, если заводнение начиналось
в конце первичной разработки, т. е. при истощении залежей.
По 7 месторождениям заводнение было начато во время при-
менения вторичных методов, из них только в одном случае оно
было успешным. Если заводнение с использованием полимеров
начиналось на стадии применения «третичных» методов, то за
исключением одного проекта все оказались нерентабельными.
В работе [67] обобщены результаты реализации 56 проектов
заводнений с применением полимеров в период с 1966 по 1970 г.
Реагентами служили частично гидролизованный полиакриламид
со степенью гидролиза 16—18% и полимер Келгон 454 (Calgon
Polymer 454). Проекты сгруппированы по водонефтяным отно-
шениям, достигнутым при обычном заводнении к началу закачки
раствора полимера. Анализ показывает, что эффективность поли-
мерного заводнения определяется стадией разработки и размером
полимерной оторочки. Существует некоторый минимальный размер
полимерной оторочки, ниже которого процесс нерентабелен.
Например, если заводнение с применением полимеров начинается
при ВНО Ю, то для средней концентрации полимера 0,025%,
используемой в этих проектах, минимальный объем оторочки,
обеспечивающий рентабельность, составляет 6% от объема пор.
С увеличением размера оторочки до 10,3% эффективность воз-
растает.
В случае, когда полимерное заводнение осуществляется при
ВНО < 10, минимальный размер оторочки со средней концентра-
цией полимера 0,019% составляет 2,3%. Увеличение размера
оторочки до 9,1% приводит к еще большей эффективности заводне-
ния с использованием полимеров. Эти данные позволяют оценить
нижний предел размера полимерных оторочек, но, к сожалению,
не отвечают на вопрос об оптимальном размере, так как имеется
лишь тенденция роста эффективности с увеличением объема ото-
117
рочки. по не определен верхний предел их рентабельного размера.
Приведенные же данные показывают, что концентрация полимера
в растворе и размер оторочек, использование которых будет
выгодным, невелики. Например, закачка 235 т полимера дает
320 тыс. м3 дополнительной нефти, т. е. 1362 м3 нефти на 1 т
полимера.
Одним из показателей эффективности и перспективности метода
является тенденция фирм к расширению экспериментов. При
положительных результатах на небольших опытных участках
закачка загущенной полимером воды переносится, как правило,
на большие площади [67, 69, 82, 83 и др.].
Можно считать, что в настоящее время в США применение
реагентов типа полиакриламида практически вышло за рамки
промысловых экспериментом и находит все более широкое практи-
ческое использование.
Применение растворов полимеров позволяет-.
1) улучшить вытеснение, когда оно недостаточно эффективно;
2) сделать возможной разработку залежей, которые в насто-
ящее время разрабатывать обычными методами заводнения не-
рентабельно.
Первоначально предполагалось, что метод будет использован
прежде всего для сравнительно однородных пластов, содержащих
нефти высокой вязкости, но опыт применения загустителей в пла-
стах с маловязкими нефтями также показал его высокую эффек-
тивность и при значительной неоднородности пласта по прони-
цаемости.
В качестве критерия эффективности применения полимеров
можно использовать количество дополнительно добываемой нефти,
приходящееся на 1 т закачанного полимера. Этот показатель
колеблется от 300—400 до 10—13 тыс. м3/т полимера.
Анализируя опыт применения полимеров за рубежом, можно
отметить некоторые основные особенности метода-.
1) закачка раствора загустителя приводит к некоторому сни-
жению объема среднесуточной закачки, однако это компенси-
руется тем, что растворы полимеров имеют более высокие коэффи-
циенты охвата и вытеснения, поэтому сроки разработки не должны
растягиваться;
2) профиль приемистости нагнетательных скважин во всех
случаях существенно выравнивается, к работе приобщаются
пропластки, ранее не работавшие;
3) эксплуатационные скважины реагируют на закачку раствора
полимера снижением темпа обводнения, увеличением дебита нефти-,
4) более выгодной оказалась закачка раствора полимера кон-
центрации 0,025—0,05% с объемом оторочки не менее 30% от
порового пространства;
5) наиболее важным фактором, определяющим эффективность
процесса, является стадия разработки залежи, на которой пере-
ходят к полимерному заводнению.
118
ТАБЛИЦА 22
КРИТЕРИИ ВЫБОРА ОБЪЕКТОВ
Условия применения метода
Показатели разработки Возможность Наиболее благо- приятные
Тип коллектора Проницаемость, мД Вязкость нефти, сП Пластовая температура, °C Мощность пласта, м Глубина залегания, м Система заводнения Стадия разработки Качество воды Песчаник, извест- няк, доломит 10—4000 0,1—200 150 Не лимг Не лимт Внутриконтурное Не лимитируется Любая Песчаник 100—1000 10—100 100 тируется тируется Площадное Начальная Вода слабо минерализованная
Во всех известных проектах по закачке в пласт полимеров
в качестве загустителя использовали полиакриламид или его
сополимеры, выпускаемые фирмой Дау кемикл К° в виде тонко
измельченного порошка, хорошо растворимого в воде. Исполь-
зование такого реагента, безусловно, более технологично по
сравнению с 7—8%-ным гелем полиакриламида, выпускаемым
промышленностью СССР, с точки зрения его хранения, растворе-
ния и транспортировки. Необходимо также отметить, что Дау
кемикл К° представляет нефтепромышленникам широкий выбор
сополимеров полиакриламида, из которых лабораторными исследо-
ваниями можно выбрать для конкретного пласта наиболее под-
ходящий.
На основании анализа промысловых экспериментов, проведен-
ных за рубежом, можно составить перечень критериев выбора
объектов, благоприятных для использования метода (табл. 22).
В табл. 23 приведены данные об основных проектах заводне-
ния с применением полимеров, проведенных за рубежом.
Представляет интерес проект компании Хант ойл совместно
с Дау кемикл К0 по закачке в пласт воды, загущенной полимером,
для создания барьера между нефтяной и газовой частями залежи
Нортист Халсвилл (Техас) [90]. В результате опережающего
отбора газа легкая нефть мигрировала в газовую шапку. Закачка
полимерного раствора Пушер в объеме 320 тыс. м3 привела к рез-
кому увеличению давления в зоне барьера, что позволило изоли-
ровать газовую шапку от нефтенасыщенной части пласта. Газовые
факторы в эксплуатационных скважинах уменьшились, а отбор
нефти увеличился. Нефтеотдача увеличилась примерно на 40%.
Дополнительная добыча нефти в целом по залежи составила
1360 м3 на 1 т 100%-ного полимера. При этом авторы проекта
119
ТА Б Л И
ДАННЫЕ ОБ ОСНОВНЫХ ЗаРУБЕЖ
С ИСПОЛЬЗОВА
Месторождение, штат, фирма Коллектор Разработка до полимер- ного заводнения Проница- емость, мД
Ниагара, Кентукки (Дау кемикл К °) Песчаник Заводнение, обводнен- ность 20—30% 20
Альбрехт, Техас (Дау ке- микл К0) » Различные стадии завод- нения 600
Бэст Кэт, Каньон, Калп- » Заводнение 260
форния (Юнион ОЙЛ К°)
Домингаз, Калифорния (Юнион ойл К°) » Поздняя стадия заводне- ния 230
Бре-Олинда, Калифор- ния (Юнион ойл К°) » Ранняя стадия заводне- ния после режима рас- творенного газа 10-6000
Вернон, Канзас (Бразерс ойл энд гэз К0) » Ранняя стадия заводне- ния после режима рас- творенного газа 23-29
Норсист Хальсвилл, Те- хас (Хаит ойл К0, Дау Известняк Ранняя стадия заводне - НИЯ 5-50
кемикл К0)
-OG—56, Венесуэла Песчаник Ранняя стадия заводне- ния —
Хантингтон Бич, Кали- форния (Стандарт ойл К°) » Естественный водонапор- ный режим 2300
Канзас » Естественный водонапор- ный режим, обводнен- ность 71,5% 4,3
Канзас Известняк Естественный водонапор- ный режим, обводнен- ность 91% 90
Иллинойс Песчаник Естественный водонапор- ный режим, обводнен- ность 87,5% 235
Техас » Естественный водонапор- ный режим 1200
Уилмингтон, Калифорния — Заводнение —
(Мобил ойл корпо- рейшн)
Ла-Сара, Колумбия (Эк- Песчаник То же 350
сопетрол)
Вайоминг Скул Крик » Ранняя стадия заводне- ния
Примечание, с — концентрация ПАА, — вязкость раствора.
120
Ц A 23
НЫХ ПРОЕКТАХ ЗАВОДНЕНИЯ
НИЕМ ПОЛИМЕРОВ
Вязкость нефти, сП Характеристи- ка раствора полимера Эффективность
16 р.р = 1,35 сП Нефтеотдача по сравнению с заводнением увеличи- лась па 78%. Чистый доход вырос в 1,8 раза
130 — Нефтеотдача по сравнению с заводнением увеличи- лась на 83%. Чистый доход — в 3 раза. Ком- мерческое использование метода
110 с = 0,37% Дополнительная добыча составила 12,8 тыс. м3 на 1 т ПАА
2,8 с = 0,37% Дополнительная добыча оценивается в 4,13 — 9.1 тыс. м3 нефти на 1 т ПАА
25—100 — Дополнительная добыча нефти составила 15.3 тыс. м3 конечный прирост нефтеотдачи оценивается в 20,6 тыс. м3
75 с = 0,05% |ip = 1,4 сП Дополнительно добыто 515 м3 нефти на 1 т ПАА. Коммерческое применение метода
0,072 с = 0,025— 0,05% Нефтеотдача по сравнению с разработкой па истоще- нпе оценпвается в 2,5 раза выше
— с = 0,025% Дополнительно добыто 3220 м3 нефти на 1 т ПАА. Ожидается увеличение нефтеотдачи на 10,5% от запасов
37 с = 0,035% Дополнительно добыто 473 м3 нефти на 1 т ПАА
3 с = 0,02% Дополнительно добыто 1,9—2,45 тыс. м3 пефтп на на 1 т ПАА. Нефтеотдача увеличилась на 12,7% от запасов на дату начала закачки ПАА
7,5 с = 0,02% Дополнительно добыто 1,23—2,81 тыс. м3 нефти на. 1 т ПАА. Ожидается увеличение нефтеотдачи на 4,1% от запасов на дату начала закачки ПАА
6 с = 0,035% Нефтеотдача увел1гчилась на 2% от запасов на дату начала закачки ПАА
2,5 с = 0,035% Дополнительно добыто 7,58—11,7 тыс. м3 нефти на 1 т ПАА. Ожидается прирост нефтеотдачи на 6,4% от запасов на дату начала закачки ПАА
— с = 0,025% Ожидается увеличение нефтеотдачи по сравнению с заводнением на 60%
25,6 с = 0,03% Ожидается увеличение нефтеотдачи по сравнению с заводнением на 50%
с = 0,03% Дополнительно добыто 660—700 м3 нефти на 1 т ПАА
121
предполагают, что только половина полимера, закачанного в зону
барьера, оказала влияние на добычу нефти. Кроме того, реализа-
ция этого проекта показала, что закачка загущенной воды может
быть использована и на месторождениях с благоприятным отно-
шением подвижности воды и нефти, в условиях резкой неоднород-
ности пласта по проницаемости, а также в карбонатных коллекто-
рах и при достаточно высокой пластовой температуре (110° С).
РЕЗУЛЬТАТЫ ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННОГО ЗАВОДНЕНИЯ
ОРЛЯНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ
ПОЛИАКРИЛАМИДА
Краткая геологопромысловая характеристика
Всесторонние лабораторные исследования физико-химических,
фильтрационных и нефтевытесняющих свойств растворов ПАА
позволили рекомендовать этот полимер для проведения опытно-
промышленных испытаний. Первая в СССР закачка раствора ПАА
была проведена в 1965 г. на нагнетательной скв. 163 Мухановского
месторождения для выравнивания профиля приемистости. Про-
мысловые испытания полимерного заводнения были начаты
в 1966 г. на Орлянском месторождении.
Характеристики коллекторов продуктивных пластов А4 баш-
кирского яруса и А3 верейского горизонта среднего карбона,
а также насыщающих их нефтей приведены ниже.
Параметры Пласт А4 Пласт Ля
Глубина залегания, м . . . . 1000—1050 960—990
Коллектор . . . . Известняк Песчаник
Тип залежи Пластовая
Пористость, % . . . . 19 24,5
Проницаемость, мД . . . . 497 395
Начальная нефтенасыщенность . . . . . . . 0,85 0,73
Температура, °C Вязкость нефти, сП: . . . . 24,5 24
в пластовых условиях ..... . . . . 8,6 12,2
разгазированной при 20° С ... . . . . 18 22
Пласт А4, литологически представленный пористыми и прони-
цаемыми известняками с прослоями плотных разностей, имеет
слабую связь с законтурной зоной. Пласт А3 отделен от пласта А4
тонкой пачкой глин, его связь с законтурной зоной довольно
активная.
Структурно пласты представляют собой брахиантиклинальную
складку, вытянутую в меридиональном направлении и ослож-
ненную северным и южным куполами, которые разбурены кон-
центрическими рядами эксплуатационных скважин с нагнетатель-
122
Рис, 50. Схема расположения сква-
жин Орлянского месторождения:
I — северное поле; II — южное поле; 1,
2,3 — скважины, эксплуатирующие соот-
ветственно пласты А4, одновременно-раз-
дельно пласты А* и А3, пласт А3; 4, 5 —
скважины нагнетательные на пласты А4
и А3 соответственно
ними в центре (рис. 50). Радиусы рядов составляют 400 и 800 м.
В соответствии с проектом разработки пласты объединены в один
эксплуатационный объект, поэтому часть скважин эксплуатирует
пласты совместно. Способ эксплуатации глубиннонасосный.
Эксплуатация южного купола осуществляется с 1962 г. За-
качка воды начата в конце 1964 г. в скв. 10 (пласт А4) и скв. 111
(пласт А3). Северный купол разрабатывается с 1964 г. Закачка
воды в скв. 119 (пласт А4) начата в конце 1965 г.
Расчеты, проведенные на основании динамики пластовых
давлений и компенсации отбора закачкой по куполам, свиде-
тельствует о том, что перетоки между куполами незначительны.
Это позволяет рассматривать купола как самостоятельные объ-
екты, поэтому при анализе разработки месторождение условно
разделено на два поля (северное и южное) линией, проходящей
через скв. 109.
Вначале в качестве опытного участка был выбран северный
купол пласта А4. В сентябре — октябре 1966 г. в скв. 119 было
закачано 4815 м3 0,1%-ного раствора ПАА. В связи с проведе-
нием эксперимента в 1967 г. были дополнительно пробурены
скв. 130, 131 и 132 па расстоянии 150—200 м от нагнетательной,
а в скважинах, эксплуатирующих оба пласта, верейский горизонт
был отключен. Опытно-промышленная закачка раствора ПАА
была начата в сентябре 1968 г. Положительные результаты,
123
полученные на северном куполе, дали основание для расширения
эксперимента. В 1970 г. начато заводнение с применением поли-
меров на южном куполе (пласт А3 и А4).
Выбор концентрации полимера в закачиваемом растворе
Для выбора оптимальной концентрации закачиваемого в пла-
сты раствора полимера были проведены опыты на естественных
кернах с пластовыми жидкостями и закачиваемой водой.
Колонку кернов пласта А4 помещали в кернодержатель с ги-
дрообжимом. Длина составного образца — 19,8, диаметр 3 см.
Средние значения пористости и проницаемости соответственно
составляли 0,290 и 720 Д. Опыт проводили при пластовой темпе-
ратуре 24° С. Для создания погребенной воды колонку кернов
насыщали пластовой водой, которую затем вытесняли вязким
маслом. Далее масло вытесняли керосином, а последний — мо-
делью нефти Орлянского месторождения. Фазовая проницаемость
для нефти составляла 0,587 Д, подвижность — 0,068 Д/сП.
Вытеснение нефти водой Голубого озера, которую используют
для заводнения месторождения, проводили в автомодельной
области (по условиям приближенного моделирования) до практи-
чески полной обводненности выходящей жидкости. Подвижность
воды при этом оказалась равной 0,149 Д/сП. Отношение подвиж-
ности воды к подвижности нефти составило 2,2.
При последующей закачке 0,015%-ного раствора ПАА в воде
Голубого озера был определен характер его течения и найдены
значения подвижностей в широком диапазоне скоростей, включая
средние пластовые. Фильтрационные характеристики были полу-
чены также для растворов полимеров с концентрацией 0,03 и
0,05%, которые последовательно прокачивали через модель пласта
после 0,015%-ного раствора ПАА. Результаты представлены
в табл. 24.
Поскольку из экономических соображений в пласт закачи-
вается оторочка загущенной воды, которая затем проталкивается
обычной водой, очень важным параметром, обусловливающим
эффективность процесса, является величина фактора остаточного
сопротивления. Для Орлянского месторождения этот параметр
имеет особое значение, так как закачка раствора полимера по-
стоянно чередовалась с закачкой воды.
Результаты, полученные при закачке воды (в тот же керн)
после растворов ПАА, представлены в табл. 25.
Проведенные опыты показали также, что при закачке в про-
мытые водой керны растворов ПАА концентрации 0,015 и 0,05%
коэффициент вытеснения увеличивался соответственно на 7 и 10%
от начального содержания нефти.
Значительный доотмыв нефти, полученный в опытах с Орлян-
скими кернами, объясняется, очевидно, не только вязкостными,
но и поверхностными свойствами растворов полиакриламида.
124
ТАБЛИЦА 24
ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАСТВОРОВ ИАА
Фронтальная скорость, м/сут
Показатели 0,45 2,27 11,52
0,015%-ный раствор ПАА, вязкость 1,16 сП
хр 0,060 0,065 0,078
Xp/Xt( 0,89 0,96 1,16
R 2,47 2,29 1,9
0,03%-ный раствор ПАА, вязкость 1,35 сП
Хр 0,029 0,035 0,070
Хр/Хц 0,43 0.54 1,08
R 5,14 4,25 2,12
0,05%-ный раствор ПАА, вязкость 1,6 сП
Хр 0,024 0,032 0,046
Хр/Хн 0,33 0,47 0,60
л 6,26 4,66 3,22
Примечание. XD — подвижность раствора ПАА; Zp/X н — отношение по-
движностей растворов ИАА и нефти; R — фактор сопротивления.
ТАБЛИЦА 25
ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОДЫ,
ЗАКАЧИВАЕМОЙ ПОСЛЕ РАСТВОРА ПОЛИМЕРА
Показа- тели Фронтальная скорость, м/сут
0,45 2,27 11,52
Вода после 0,015%-ного раствора ПА/
X 0,071 0,088 0,124
R 2,1 1,7 1,2
Вода после 0,03%-ного раствора ПАА
X 0,049 0,054 0,085
R 3,0 2,8 1,8
Вода после 0,05%-ног/j раствора ПАА
X 0,028
,R 5,2
0,040
3,7
0,058
2,6
Примечание, См. табл. 24.
125
Измерения краевых углов в системе кварц — нефть пласта А4
Орлянского месторождения — вода и кварц — нефть — 0,05%-ный
раствор ПАА показали, что последний обладает гидрофилизу-
ющими свойствами. Краевой угол уменьшался с 42 до 6°.
Из полученных результатов следует, что с ростом концентрации
полимера технологические свойства раствора несколько улуч-
шаются, но экономически целесообразной является 0,015%-ная
концентрация. Поэтому только в течение первых шести месяцев
на северном куполе закачивали 0,04—0,045%-ный раствор, а за-
тем концентрацию снизили и поддерживали примерно равной
0,015% на протяжении всего эксперимента.
Оценка эффективности закачки раствора полиакриламида
на Орлянско'м месторождении Куйбышевской области
В первые годы после начала закачки загущенной воды на
северном куполе Орлянского месторождения эффективность оцени-
вали по динамике обводнения эксплуатационных скважин 130,
131, 132, образующих оценочный ряд [4].
На момент пробной закачки раствора полиакриламида
в скв. 119 было закачано 58,7 тыс. м3 воды, что составляет 18,4%
от объема пор участка пласта в пределах оценочного ряда.
Анализируя динамику добычи и обводненности этих скважин,
можно отметить следующее. В скв. 130, которая при закачке воды
в нагнетательную скважину 119 давала воду без признаков нефти,
в период закачки раствора ПАА появилась нефть. Однако в связи
с необходимостью увеличения закачки по северному куполу
в апреле 1969 г. скважина была остановлена, а в июле 1969 г.
освоена под нагнетание.
К началу закачки раствора ПАА дебит скв. 131 составлял
39 т/сут при обводненности продукции 47%. В первые два месяца
после начала закачки ПАА в этой скважине обводненность про-
должала возрастать, и в октябре 1968 г. она достигла 56%, а за-
тем резко упала до 33%. В дальнейшем наблюдали монотонный
рост обводненности, однако темп роста обводнения был ниже, чем
до закачки раствора полимера. В последующем с достижением
равномерности закачки полимера обводненность по скважине
составляла примерно 70—80% с периодическим снижением до
30—60%. Всего скважиной 131 дополнительно добыто 5,4 тыс. т
нефти.
Реакция скв. 132 на закачку загущенной воды была еще более
ощутимой. К началу процесса заводнения (сентябрь 1968 г.) дебит
скважины составлял 43 т/сут при обводненности продукции 64%,
но уже через месяц после начала закачки ПАА отмечали снижение
содержания воды в добываемой продукции. Через 8 месяцев
обводненность скважины снизилась до 35%, а затем наблюдали
вторичный рост обводненности. К концу 1969 г. она достигла
примерно той же величины, что и до закачки раствора ПАА.
126
•Рис. 51. Динамика добычи нефти и
обводненности продукции скв. 132:
1 и 1' — обводненность фактическая и
прогнозная; 2 и 2' — суммарная добыча
нефти фактическая и прогнозная
Во втором квартале 1970 г. скважина после обводнения была
освоена под нагнетание. За период ее работы дополнительно
добыто 8,0 тыс. т нефти (рис. 51).
Анализ разработки опытного участка, ограниченного скв. 130,
131 и 132, показал, что использование полимера для загущения
воды позволило дополнительно добыть примерно 50 тыс. т нефти,
из них: 23 тыс. т — за безводный период работы этих скважин
в результате первой опытной закачки ПАА в 1969 г.; 13 тыс. т
дополнительно добыто из скв. 131 и 132 за водный период экс-
плуатации; 14 тыс. т дополнительно вытеснено из опытного уча-
стка и отобрано первым рядом эксплуатационных скважин. Ко-
нечная нефтеотдача равна 70%.
Безводную нефтеотдачу по пласту А4 при обычном заводнении
оценили для первого ряда скважин южного купола по объему
закачанной воды на момент начала обводнения скважин. Она
оказалась равной 29%. Поскольку вода в течение короткого пе-
риода появилась сразу в нескольких эксплуатационных сква-
жинах, погрешность оценки безводной нефтеотдачи, очевидно,
невелика.
К началу промышленного эксперимента (сентябрь 1968 г.)
в скв. 119 было закачано 168,9 тыс. м3 воды, что составило 53%
от объема пор оценочного участка, или 14,5% от объема пор уча-
стка, оконтуренного скважинами первого ряда, которые давали
безводную нефть.
Для оценки текущей нефтеотдачи в пределах первого ряда
скважин севера и юга схематически было принято, что разработку
рассматриваемых участков ведут кольцевой галереей, суточная
добыча нефти которой равна произведению средневзвешенной доли
нефти в продукции скважин ряда на суточную закачку жидкости:
Qu fuQ зак'
На рис. 52 представлена зависимость нефтеотдачи этих уча-
стков от суммарного объема прокачанной через них жидкости.
Из рисунка видно, что применение загустителей значительно
127
Рис. 52. Зависимость нефтеотдачи
от объема жидкости, прошедшей че-
рез пласт, ограниченный первым ря-
дом скважин:
1 — северный купол, пласт А<; 2 — юж-
ный купол, пласты А3 4- А<
повысило нефтеотдачу. Причем на южном куполе в пределах
первого ряда скважин с применением ПАА достигнута конечная
нефтеотдача, равная 53,0%. При обычном заводнении нефтеотдача
была бы на 4% ниже.
В середине 1975 г. практически все скважины первого ряда
южного купола были обводнены на 95—100%. Текущая же обвод-
ненность скважин первого ряда северного купола — 75% , а нефте-
отдача этого участка достигла 67,4%.
После распространения эксперимента на все Орлянское место-
рождение для выявления эффективности закачки загущенной
полимерами воды использовали характеристики вытеснения по
куполам и объекту в целом.
Оценка технологической эффективности того или иного метода
воздействия на пласт по анализу промысловых характеристик
вытеснения является довольно распространенным методом [50,
53]. При этом возможны два подхода. Первый базируется на срав-
нении показателей разработки опытного участка с близким по
параметрам другим участком, но разрабатываемым традиционным
способом. Достоверность результатов сравнения в этом случае
зависит от того, насколько подобны выбранные участки. Второй
подход основан на экстраполяции характеристик вытеснения
полученных до применения метода воздействия и сравнении
фактических данных с прогнозными показателями. Погрешность
этого метода обусловлена снижением достоверности прогнозной
части кривой по мере ее экстраполяции.
Несмотря на недостатки, оба метода используют достаточно
широко. Кроме того, фактические данные разработки с полимер-
ным заводнением могут сравниваться с расчетными результатами
обычного заводнения, полученными по стандартным мето-
дикам.
Для оценки эффективности закачки загущенной воды на Ор-
лянском месторождении нами была использована зависимость:
накопленная добыча нефти — логарифм накопленной добычи
жидкости, построенная по фактическим показателям разработки
пласта А4 северного купола и пластов А3 -ф- А4 южного купола,
128
ТАБЛИЦА 2 (.»
ПОКАЗАТЕЛИ РАЗРАБОТКИ ОРЛЯНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
Годы Нарастающая добыча, тыс. м3 Текущая нефтеот- дача, % Обводненность, вес. % ПарастаК)щий объем Добытой жид- кости в объемах пор, первоначаль- но насыщенных нефтью, о/
нефти д жидкости в пластовых условиях
Пласт А4 северного купола
1964 15,0 — 18,3 0.7 — 1 -
1965 79,1 — 96.5 3,7 —
1966 152,6 — 186,2 7,1 — 7,1
1967 241,7 0,4 295,3 11,2 — 11,2
1968 342,8 14,9 433,2 15,9 18,9 16,5
1969 446,7 42,2 587.2 20,7 23,8 22,3
1970 584,3 78,0 791,1 27,1 18,8 30,1
1971 738,9 146,7 1048,2 34,2 32,4 39,8
1972 852,9 219,6 1260,2 39,5 43,1 47,6
1973 943,9 331,9 1483,5 43,7 58,5 56,3
1974 1014,8 395,1 1633,1 47,0 48,1 62,0
1975 1105,8 460,3 1 1809,3 51,2 48.6 68,7
Пласты 4зН- А4 южного купола
1967 744,6 5,8 906,7 10,4 5,9 11,0
1968 988,1 61.5 1257,1 14,2 24,0 15,2
1969 1221,2 167.4 1645,1 17.6 36,0 193
1970 1397,9 308,9 2000,4 20,0 43,1 24,0
1971 1574,2 438,4 2343,2 22,6 48,1 28,1
1972 1715,4 642,3 2718,0 24,6 64,3 32,5
1973 1825,3 832.2 3059,1 26,2 59,4 36,6
1974 1921,5 967,2 3292,2 27,5 61,7 39,1
1975 1997,5 1091,1 3518,1 28,7 63,1 41,8
которые показаны в табл. 26. Результаты закачки воды и раствора
ПАА ио куполам приведены в табл. 27.
Анализ показателей разработки большинства месторождений
Поволжья, находящихся на поздней стадии разработки, свиде-
тельствует о линейном характере этой зависимости [54, 55].
Применительно к Орлянскому месторождению характеристики
вытеснения были построены для пластов А3 4- А4 южного купола
и А4 северного купола в относительных координатах-, нефте-
отдача — нарастающая добыча жидкости в объемах пор, перво-
начально насыщенных нефтью. Начальные участки этих кривых
линейны и совпадают до закачки раствора ПАА в пласт А4 север-
ного купола. После начала закачки раствора ПАА указанные
кривые отклоняются от линейной зависимости в сторону более
высокой нефтеотдачи. По южному куполу прямолинейный участок
приходится па период IV квартал 1967 — II квартал 1970 г..
предшествовавший закачке загущенной воды. Отклонение от
5 Заказ 5 2- 129
ТАБЛИЦА 27
НАРАСТАЮЩАЯ ЗАНАЧКА ВОДЫ И ПОЛИАКРИЛАМИДА
ОРЛЯНСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
Гиды Вода, тыс. м3 0,6 6% —ны й раствор ПАА, тыс. м3 Жидкость, тыс. м3 7%-ный гель ПАА, т
Пласт Ai северного купола
1965 10,0 10,0 —
1966 74,6 0,7 75,3 64
1967 124,1 0,7 124,8 64
1968 193,2 2,2 195,4 195,7
1969 269,1 4,4 273.5 932,0
1970 420,9 6,5 427,4 618,0
1971 674,6 10,7 685,4 1007,6
1972 917,2 16,1 933,4 1518,4
1973 1092,2 20,4 1112,7 1923,8
1974 1209,8 23,2 1233,0 2186,1
1975 1312,8 24,5 1337,3 2301
Пласт Л;! южного купола
1964 3,9 — 3,9 —
1965 38,3 38,3 —
1966 60,4 — 60,4 —
1967 76,2 — 76,2 —
1968 169,0 .— 169,0 —
1969 374,7 — 374,7 —
1970 531,3 0,8 532.1 86,1
1971 689,5 3,7 693,3 357,5
1972 895,1 8,4 903,5 804,6
1973 1017,8 11,2 1029,0 1066,4
1974 1034,2 11,6 1045,7 1099,2
1975 1057,9 11,7 1069,6 1114,5
Пласт At южного купола
1964 25,8 25,8 —
1965 169,1 — 169,1 —
1966 321,1 — 321,1 —
1967 479,6 — 479,6 —
1968 706,2 706,2 —
1969 970,4 — 970,4 —
1970 1170,5 1,3 1171,9 142,5
1971 1295,9 3,4 1299,4 333,9
1972 1446,8 6,9 1453,7 665.8
1973 1570,1 10,5 1580,6 999,3
1974 1664,0 12,6 1676.5 1191.8
1975 J 753,2 13,5 1766,7 1278,7
линейной зависимости совпадает с началом нагнетания раствора
ПАА в пласты южного купола. Линейный участок указанных
кривых был обработан методом наименьших квадратов и про-
экстраполирован до более высоких значений нефтеотдачи. Срав-
нение прогнозной части кривой с фактической позволило опре-
делить количество дополнительно добытой нефти.
130
Рис. 53. Зависимость нефтеот-
дачи и обводненности продукции
от суммарного количества ото-
бранной жидкости для северного
купола пласта А±:
1 — прогнозная нефтеотдача при обыч-
ном заводнении; 2 — фактическая
нефтеотдача при полимерном заводне-
нии; 4 — прогнозная обводненность
при обычном заводнении; з — факти-
ческая обводненность при полимер-
ном заводнении
При этом предполагалось, что отбор жидкости при обычном
заводнении был таким же, как и с применением полимеров. Фак-
тически на северном куполе отбор жидкости при заводнении
с использованием полимеров был несколько выше, чем при обыч-
ном, за счет перевода под нагнетание скв. 130 и 132. Зависимость
нефтеотдачи и обводненности продукции скважин от суммарного
объема отобранной жидкости по пласту А, северного купола
приведена па рис. 53. *
Из рисунка следует, что при обычном заводнении и том же
суммарном количестве отобранной жидкости, текущая нефтеотдача
составляла бы 33% при обводненности 82.5%. Следовательно,
сохраняя при заводнении с применением полимеров темп отбора
жидкости, можно значительно увеличить темп отбора нефти.
В данном случае текущая нефтеотдача при полимерном заводнении
оказалась на 18,2% выше, чем при обычном, а дополнительная
добыча нефти составила 329,9 тыс. т. Отметим, что текущая нефте-
отдача при полимерном заводнении на 3,2% выше tожидаемой
конечной при обычном заводнении.
В целом из пласта А4 северного купола па 1 января 1976 г.
добыто 1105,8 тыс. т нефти и 460,3 тыс. м3 воды. При текущей
обводненности 48,7% нефтеотдача составила 51,2%. Всего было
закачано 1337 тыс. м3 жидкости, в том числе 1175 тыс . м3 раствора
полимера. Для приготовления раствора израсходовано 2301 т
геля ПАА.
Конечную нефтеотдачу при обычном заводнении пласта А4
северного купола оценивали при несколько ином подходе. В дан-
ном случае мы исходили из того, что при очаговом заводнении
куполов условия разработки сводовой и приконтурной частей
залежи различны. Расчеты обводнения пласта А4 с учетом не-
однородности по пористости, проницаемости и нефтенасыщенности,
а также свойств нефти и закачиваемой воды показали, что в цен-
тральной зоне, охваченной заводнением, конечная нефтеотдача
(при предельной обводненности 95%) составит 57% . Нефтеотдача
в приконтурной зоне, учитывая слабую связь с законтурной
131
областью, принята равной половине от нефтеотдачи центрального
участка, т. е. 28%. Тогда в целом по пласту А4 северного купола
нефтеотдача при обычном заводнении должна составить 48%.
Эта величина точно совпала с прогнозной, полученной экстра-
поляцией начального участка характеристики вытеснения, кото-
рая построена в координатах нефтеотдача — логарифм суммарного
количества отобранной жидкости.
Американские исследователи при анализе эффективности за-
воднения с применением полимеров, как правило, используют
характеристику вытеснения, построенную в координатах: лога-
рифм текущего водопефтяного отношения (ВНО) — нефтеотдача.
Объясняется это тем, что даже незначительное изменение ВНО
приводит к существенному изменению нефтеотдачи. Анализ такой
зависимости по некоторым месторождениям Куйбышевской об-
ласти показал, что в основной части она имеет линейный харак-
тер, если в процесс разработки искусственно не вносятся какие-
либо радикальные изменения.
На рис. 54 представлена зависимость логарифм ВНО — нефте-
отдача для северного купола пласта А4 (кривая 7). Ее начальный
участок имеет линейный характер. После начала закачки раствора
полимера наблюдается отклонение от линейной зависимости.
В результате закачки загущенной водм обводненность продукции
скважин снизилась и в течение двух лет сохранялась на уровне
18—22%, затем обводненность стала увеличиваться, но темп ее
роста был значительно меньшим, чем до закачки раствора поли-
мера. Сравнение величин нефтеотдачи, достигнутых при одинако-
вых значениях фактического и прогнозного ВНО, носит условный
характер, так как они соответствуют разным количествам зака-
чанной или отобранной жидкости. Фактическая эффективность
может быть рассчитана. Однако методика расчета дает завышенные
результаты.
Закачк^ раствора полимера на южном поле была начата в ав-
густе 1970 г. К этому времени было закачано в пласт А4 и А3
соответственно 1,1 млн. м3 и 480 тыс. м3. что составляет 0.81
и 0,31% от объема пор пластов в пределах первого ряда скважин.
К началу закачки раствора ПАА скважины первого ряда были
в той или иной мере обводнены закачиваемой водой. Скв. 115,
116 и 122 были обводнены практически полностью. В этих сква-
жинах, а также в скв. 110 обводненность составляла 80—90°о,
вода на забой поступала из обоих пластов. В скв. 4 и 112 обводнен
был только башкирский ярус. Среднее значение обводненности
скважин первого ряда по участкам составляло примерно 75%.
Необходимо отметить некоторые особенности разработки двух-
пластового объекта А4 + А3. Воду в пласты закачивают раз-
дельно. Начата закачка была практически одновременно, ио темп
нагнетания в пласт А3 па первом этапе был небольшим. Затем,
после проведения обработки призабойной зопы скв. 111, ее при-
емистость была значительно увеличена. В дальнейшем темп за-
132
Рис. 54. Зависимость водонефтяного отношения от нефтеотдачи по Орлян-
скому месторождению:
1 — пласт А, (северный купол); 2 — пласты А, 4- А» (южный купол)
качки по пластам сохранялся примерно постоянным, что привело
к установлению повой закономерности вытеснения нефти. Харак-
теристики вытеснения, полученные на этом этапе, экстраполиро-
вали для получения прогнозных значений нефтеотдачи при обыч-
ном заводнении. При предельной обводненности величина про-
гнозной нефтеотдачи участка, оконтуренного скважинами первого
ряда, определенная по экстраполяции характеристики вытесне-
ния: нефтеотдача — логарифм суммарной отобранной жидкости,
«оставила 49 %. После начала закачки раствора полиакриламида
обводненность продукции скважин уменьшилась до 65%, а затем
снова стала возрастать. В настоящее время этот участок полностью
выработан. Достигнутая нефтеотдача 53% превышает ожидаемую
при обычном заводнении на 4%. (Результаты см. рис. 52, кри-
вая 1.)
Па рис. 54 показана характеристика вытеснения, построенная
в координатах логарифм ВИ О — нефтеотдача для всего южного
133
ТАБЛИЦА 28 ДИНАМИКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОЛИМЕРНОГО ЗАВОДНЕНИЯ ИО ГОДАМ
rf Рч Д< ‘ ИОЛ НИТРЛЫ1О ;>(<б!дта;| нефть, ТЬН'. т Средняя обводнен- ность, % Лополпительно до- <*>• .таи нефть, тыс. т Средняя обводнен- ность, Со । Дополнительно добытая нефть По месторождению.
: г: 1? пиоц ’с! и 12 О О 11 р onion и а! i фактическая
Пла 1969 .1970 1971 1972 1973 1974 1975 с?п А 4 севе 28,1 88,5 168,4 237,5 285 330.3 392,9 рного купе 46,2 60,1 69,9 74,8 78,7 80.6 82,5 ела 23.8 18.8 32,4 43,1 58,5 48,1 48,7 Пластъ 69,6 88,3 104,2 145,1 161.6 57.3 63,6 67,6 70,0 71,8 южного к 31,2 44,5 42,3 59,1 63,4 58.4 63,1 /пола 28,1 88,5 238 325,8 389,2 475,4 554.5
купола (кривая 2). Реакция на закачку раствора ПАА отмечается
четко, но количественно не так значительно, как по северному
куполу пласта А.Р После 1973 г. па южном куполе произошли
большие изменения в системе разработки. Прекращена закачка
в скв. 111, в скважинах первого ряда отключен пласт А4, освоены
скважины под нагнетание в пласт А4.
Эти мероприятия способствовали улучшению характеристики
вытеснения одновременно с продолжающейся закачкой загущен-
ной воды, поэтому дальнейшая интерпретация результатов и
оценка эффективности полимерного заводнения по южному куполу
з а т руднительна.
На 1 января 1976 г. в пласты А3 и А4 южного купола закачано
2836,2 тыс. м3 жидкости, в том числе 1275 тыс. м3 раствора ПАА
при средней концентрации 0,013%. Размер оторочки составил
11,796 от объема пор пластов. Израсходовано 2393,2 т геля ПАА.
Добыто 1997,5 тыс. т нефти и 1091,1 тыс. м3 воды. Текущая нефте-
отдача составляет 28.7% при средней обводненности продукции
63,1 %.
В табл. 28 представлены динамика дополнительной добычи
нефти, а также прогнозные и фактические значения обводненности
участков залежей, разрабатываемых с полимерным заводнением,
по годам. Прогнозные значения рассчитывали по характеристикам
вытеснения нефтеотдача — логарифм отобранной жидкости. Эф-
фективность по южному куполу за 1974—1975 гг. включает в себя
нефть, добытую за счет дополнительных мероприятий, отмеченных
выше.
Анализ результатов применения заводнения с применением
полимеров на Орляпском месторождении показывает, что метод
эффективен па обоих куполах как технологически, так и экономи-
134
чески. Однако эффективность на северном куполе значительно
выше, чем на южном. На 1 т закачанного полимера (в пересчете
па 100%-ную концентрацию) на северном куполе получено допол-
нительно 2,35 тыс. т нефти, а на южном 1 тыс. т. Объясняется
это тем, что закачка раствора полимера на северном куполе была
начата на ранней стадии разработки, а на южном — на более
поздней. Различие в стадиях разработки особенно существенно,
если рассматривать участки, оконтуренные скважинами первого
ряда. На северном куполе все скважины первого ряда давали
безводную нефть, а на южном они были в значительной мере
обводнены.
Вторая причина различия в эффективности полимерного за-
воднения на куполах заключается в том. что на единицу порового
объема на северном куполе полиакриламида закачано примерно
в 3 раза больше, чем па южном. Ясно, что технологические показа-
тели в первом случае должны быть выше.
Основным критерием эффективности разработки должна быть
текущая обводненность или отношение накопленных отборов воды
и нефти. При равенстве этих параметров эффективность тем выше,
чем больше степень выработки извлекаемых запасов. Для срав-
нения разработки залежей нефти подобные зависимости весьма
успешно использованы в работах [18, 55].
Нами построена зависимость обводненности добываемой про-
дукции от степени выработки извлекаемых запасов пефти пла-
ста А4 северного и пластов А3 А А4 южного куполов.
Полученные зависимости приведены на рис. 55. где кривая 2
является осредненной для семи месторождений Куйбышевской
области с соотношением вязкостей нефти и воды в пределах 2.4—
4,7.
Технология заводнения с применением полимера
В качестве реагента использовали 7—9%-ный гель поли-
акриламида известкового способа нейтрализации. Средние вели-
чины молекулярной массы составили 3,7 млн. и степени гидро-
лиза — 9,6%. (Реагент поставляли в деревянных бочках вмести-
мостью 100 л.)
Схема установки для приготовления раствора полиакриламида
приведена на рис. 56. Гель измельчали волчком 7 и растворяли
в емкостях 5 и 6 рециркуляцией жидкости насосами 1 и 2. Раствор
концентрации 0,6—0,7% через фильтры грубой 8 и тонкой .9
очистки подавали в накопительные емкости 13 и 14. В начальной
стадии промыслового эксперимента, когда заводнение с добавле-
нием полимера проводили только па северном куполе, дозирован-
ную подачу раствора вели плунжерным насосом НС 1/150 в водо-
вод высокого давления. Впоследствии, когда загущенную воду
стали закачивать и па южном куполе, концентрированный раствор
вводили на прием насоса кустовой станции насосами В КО 2/26.
Расход концентрированного раствора измеряли счетчиком СВШ-25.
135
Максимальная суточная производительность установки —
100 м3 0,6-0,7 %-ного раствора полиакриламида. Необходимо
отметить, что гель ПАА петехнологичен, его использование свя-
зано с большими затратами ручного труда, а в связи с малым
содержанием основного вещества (7—9%) значительны транс-
портные расходы. При минусовой температуре гель замерзает,
при этом частично теряется его способность загущать воду, по-
этому для его хранения требуются большие отапливаемые склад-
ские помещения. Фактическая производительность установки
не превышала 80 м3/сут концентрированного раствора.
Степень выработки, извлекаемых
запасов, %
Рис. 55. Зависимость обводнен-
пости добываемой продукции от
степени выработки извлекаемых
запасов:
1 — Орлянское месторождение, пласт
А4; 2 — осредненная кривая по семи
месторождениям Куйбышевской обла-
сти, ц = 2,5—4,7 [55]; з — Орлянское
месторождение (южный купол), пласты
А;1 вА4; 4— Губинское месторождение,
пласт Б2, ц = 13,3; 5 — Сызран-
ское месторождение, пласт Б2, ц. =
~ 25,8; 6 — месторождение Яблоновый
Овраг, пласт Б2, р. — 11,4
Рис. 56. Схема установки по приготовлению раствора ПАА:
1,2 — насосы ЦН-100; з — дозировочные
насосы ВКО; 4 — счетчик СВШ-25; 5,6 —
емкости для раствора ПАА; 7 — волчок;
8 — фильтры грубой очистки; 9 — фильтр
тонкой очистки; ю —• фекальные насосы:,
11 — электроталь; 12 — насос; 13, 14 —
емкости для растворения геля
136
Анализируя динамику приемистости нагнетательных скважин, i
можно констатировать, что закачка раствора ПАА приводит к по-/
степенному снижению приемистости. Это закономерное явление, I
вызванное увеличением сопротивлений в пласте вследствие за-/
качки вязкой жидкости. Однако в некоторых случаях темп сни-
жения приемистости был выше, чем это следует из гидподг л кпь
ческих расчетов. Это может быть вызвано пекачественпостью
отдельных партий полимера или, что более вероятно, плохой
очисткой полимерного раствора от примесей. При загрузке поли-
мера попадание грязи в раствор почти неизбежно. Полиакриламид,
являясь хорошим флокулянтом, уносит грязь на забой, поэтому
фильтрации раствора необходимо уделять особое внимание.
Восстановления приемистости нагнетательных скважин дости-
гали проведением обработок призабойных зон. Для карбонатного
пласта достаточно эффективны были солянокислотные обработки.
Следует отметить, что довольно резкое падение приемистости
скважин наблюдали только в начале эксперимента, когда закачи-
вали 0,04—0,45%-ный раствор. После перехода на 0,01,5%-ную
концентрацию падение приемистости было небольшим.
Анализ профилей приемистости нагнетательных скважин пока-
зал, что в начальный период закачки раствора полимера наблю-
дается значительное изменение его, которое выражается пр&тде
всего в снижении приемистости зон сильного поглощения, т. е.
профиль приемистости выравнивался. Однако при продолжитель-
ной закачке раствора профиль стабилизировался и был более
равномерным, чем при закачке воды до заводнения с применением
полимера.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОДОРАСТВОРИМЫХ ПОЛИМЕРОВ ДЛЯ БОРЬБЫ
С ВОДОПРОЯВЛЕНИЕМ
В настоящее время многие месторождения Среднего Поволжья
перешли па позднюю стадию разработки. В связи с этим все более
остро ставится проблема изоляции воды в скважинах. Однако
несмотря на постоянное внимание со стороны нефтяников она
остается нерешенной. Нередко высказывается такое мнение: если
обводнение эксплуатационных скважин при водонапорном режиме
разработки залежи является естественным явлением, то изоляция
воды бессмысленна и даже вредна.
Действительно, низкий коэффициент успешности при массовом
проведении изоляционных работ различными методами дает,
казалось бы, основательные доводы для такого вывода, однако
проведение изоляционных работ практически всегда, по нашему
мнению, целесообразно.
Изучение геологического строения нефтяных пластов и опыт
разработки месторождений показывают, что коллектора, сложен-
ные песчаниками и карбонатами, как правило, в разрезе пред-
ставлены чередованием хорошо проницаемых пропластков, по
137
которым идет фильтрация, и плотных, практически непроницаемых
слоев, не участвующих в разработке.
Проведение изоляционных работ в скважинах, эксплуатиру-
ющих залежь, сложенную пропластками гидродинамически не
взаимосвязанными, вполне целесообразно.
К сожалению, как правило, информация о строении продуктив-
ных пластов весьма ограничена, поэтому проведение изоляцион-
ных работ в эксплуатационных скважинах требует известной
осторожности.
При разработке залежей с применением заводнения возможно
регулировать динамику потока в пласте изменением профилей
закачки. Известно, что они обычно резко неоднородны, причем
в процессе разработки приемистость зон поглощения возрастает
по мере прорыва воды в эксплуатационные скважины по наиболее
проницаемым слоям.
Изоляция интервалов пли снижение их проницаемости, без-
условно. способствует более эффективному вытеснению нефти.
Как и для эксплуатационных скважин, эффективность изоля-
ционных работ определяется главным образом строением
пласта.
Было испытано много различных способов уменьшения водо-
иритока и выравнивания профиля приемистости нагнетательных
скважин. Для перекрытия обводнившихся наиболее проницаемых
прослоев в неоднородном слоистом пласте широкое распростране-
ние получил способ забойной цементной заливки с последующей
перфорацией нефтепасыщенпых прослоев. Непроницаемые про-
пластки в этом случае являются водоизолирующими экранами.
Недостаток такого метода — эго сложность и трудоемкость его
осуществления, так как перед цементной заливкой необходимо
точно установить интервалы обводнения, а после провести допол-
нительную перфорацию. При этом трудно добиться полного
вскрытия всей пефтеиасыщающей части, так как часто высоко-
проницаемые обводнившиеся и слабопроницаемые нефтепасыщеп-
иые прослои чередуются и имеют небольшие мощности. Селектив-
ность этого способа полностью исключена.
Известны также способы изоляции синтетическими смолами,
которые полимеризуются через определенное время в пористой
среде, снижая при этом проницаемость породы практически до
нуля. Были попытки изоляции обводнившихся пластов примене-
нием полиэфирных мочевино-феноло-резорциио-формальдегидных
смол. Кроме того, пытались применять золь кремневой кислоты.,
превращающейся со временем в пористой среде в гель, непроница-
емый для фильтрующихся жидкостей. Общие недостатки всех
перечисленных методов — полное отсутствие селективности,
сравнительно высокая стоимость изоляционных работ, необходи-
мость тщательного исследования пластов для установления харак-
тера обводнения, а также обеспечения закачки этих реагентов
в строго заданных интервалах пласта.
138
Большое преимущество имеют способы изоляции обводня-
вшихся пластов закачкой Гипана, натриевой соли, нафтеновых
кислот, латекса и некоторых других реагентов, которые обладают
селективным действием. Селективность этих способов основана
па химическом взаимодействии закачиваемых реагентов с жидко-
стями. насыщающими пористую среду, например с пластовой
водой.
Недостатками этих способов является то, что взаимодействие
закачиваемого реагента с жидкостью, находящейся в пласте,
происходит только па их контакте, зона образовавшейся смеси
незначительна, поэтому в реакцию вступает только часть закачан-
ных объемов реагентов. Кроме того, образовавшиеся продукты
реакции в самом начале проникновения реагента в пласт препят-
ствуют дальнейшему поступлению его в пористую среду.
Одиако несмотря на это способ изоляции скважин при при-
менении Гипана в последние годы получил широкое распро-
странение на промыслах Татарии, Башкирии и Куйбышевской
области. При контакте этого реагента с жидкостями, в которых
содержатся поливалентные катионы, образуются «сшитые» струк-
туры с выделением плотных сгустков и нитей полимера. Избыток
кислоты также приводит к его осаждению.
На промыслах объединения Куйбышевнефть за последние
3 года проведено 25 операций по ограничению водопритока
Гипаном, из них 12 успешных. Статистический анализ результа-
тов обработки скважин этим реагентом показывает, что па про-
мыслах Татарии и Башкирии коэффициент успешности также
составляет 40—50%.
В табл. 29 приведены результаты обработки скважин Гипаном
на месторождениях объединения Куйбышевнефть. Изоляционные
работы проводили, в основном, па скважинах, обводнившихся
пластовой высокоминерализованной водой плотностью более
1,16 г/см3. Гипан закачивали в пласт в следующей последова-
тельности: пресная вода в объеме 0,5 м3, Гипан в объеме, ука-
занном в табл. 30, буфер пресной воды объемом 0,2 м3.
Недостатком рассматриваемого метода изоляции, как уже
отмечалось, является неполное взаимодействие закачанного объ-
ема полимера с пластовой (минерализованной) водой, так как
смешение жидкостей в пласте происходит на их контакте в огра-
ниченной по длине зоне. Таким образом, основная часть реагента
расходуется непроизводительно. Вторым недостатком данного
способа можно считать интенсивный вынос прореагировавшей
части полимера в первое время после пуска скважины в эксплу-
атацию. В результате этого сгустки «сшитого» полимера в не-
которых случаях приводят к пробкообразованию в призабойной
зоне скважины, забивают насосы и другое оборудование. Этим
недостатком не обладает способ изоляции водопритока применением
полиакриламида, который может быть использован в несколь-
ких вариантах. Наиболее простой из них основан на способности
139
Т А Б Л И
РЕЗУЛЬТАТЫ ОБРАБОТКИ СКВАЖИН
ОБЪЕДИНЕНИЯ
Месторождение, пласт Номер еппаживы Вскрыта^ мощ- ность, м Дата проведения ремонтно-изоля- цнонных работ Расход Гицапа, т
Радаеве кое. Б, 33 32 VIII 1972 5,0
198 7 XI 1972 1,6
15 19 IV 1973 5,0
154 7 V 1973 7,0
180 25 XI 1973 7,0
122 5 XII 1973 9,0
124 10 VI 1974 9,0
136 25 VI 1974 9,0
147 5 IX 1974 5,0
119 13 IX 1974 5,0
Якушкинское, А3 127 45 VII 1972 5,0
Козловское, Б, 17 11 IX 1972 5,0
Ново-Запрудненское, Д1—П 43 3 XII 1970 4,4
» Дп О О 25 IX 1972 200
» Дп; 88 45 VI 1973 50
» Дл 27 28 VI 1973 50
Алапаевское, Дщ 101 8 VI 1972 60
» Дг 1 4 VI 1974 50
Красноярское. Л4 113 15 VI 1970 ПО
Жигулевское. Дц 47 15 VI 1972 110
Карло-Сытовскос, Бп 28 56 III 1972 100
Подгорненское, СП -г C1II 113 5 2 VIII 1974 190
Ново-Ключевское, С, 515 8 X 1974 4(1
Мухановское, С, 129 17 VII 1974 140
ПАА снижать подвижность воды в несколько раз. Выше было
показано, что после прокачки раствора ПАА через пористую
среду подвижность воды, фильтрующейся вслед за полимером,
снижается в несколько раз. В данном случае проявляется так
называемый остаточный фактор сопротивления. Степень снижения
подвижности воды зависит от многих параметров полимерной
системы и пористой среды. Правильным подбором ПАА (молеку-
лярная масса, степень гидролиза и полидисперсность полимера)
и растворителя (минерализованный состав воды) для конкретной
пористой среды можно получить оптимальные условия для огра-
ничения водопритока в скважине. В предыдущих разделах нами
достаточно подробно рассмотрен механизм проявления остаточ-
ного фактора сопротивления. Было отмечено, что основной при-
чиной этого является адсорбированный или механически удер-
жанный пористой средой полимер, причем фильтрация минерали-
зованной воды вслед за полимером идет в дилатантном режиме.
Это свойство в какой-то мере предопределяет селективность
140
Ц А 29
ГИПАНом НА МЕСТОРОЖДЕНИЯХ
КУЙБЫШЕВНЕФТЬ
До обработки После обработки 1 Продолжительность эффекта, мсс । «5 Л gb =х Чй
дебит жидкости, т/сут обвод- нен- ность , 0/ /0 дебит жидкости J т/сут обвод- пен- н ость, %
50 98 18 50 Эффект продолжается 19 332
21,1 99 24.6 75 4 320
12,0 75 7 98 Нет эффекта 0
48 90 70 88 » » 0
90 92 108 90 » » 0
32 94 26 20 Эффект продолжается 4 036
18 98 18 98 Нет эффекта 0
24 95 29 70 Эффект продолжается 539
100 99 100 85 Эффект кратковременный 0
14 96 14 80 » » 0
24 98 7 55 16 2 765
47 33 34 43 Эффект продолжается
160 98 140 42 9 2 230
136 95 115 85 3 585
126 85 86 54 2 250
22 40 22 38 Нет эффекта 0
72 97 70 81 2 200
21 76 17 10 3 200
46 96 46 97 Нет эффекта 0
200 98,5 117 87 » » 0
350 100 240 100 » » 0
80 100 В освоении
100 145 67 Эффект продолжается 2 203
32 88 320 40 » » 15 320
действия данного способа изоляции. Вторым важным обстоятель-
ством, усиливающим селективность действия ПАА, является то,
что внедрившийся в пефтенасыщеппую часть пласта полимер
практически не снижает фазовую проницаемость для нефти.
Технология осуществления изоляционных работ с помощью
ПАА чрезвычайно проста и легко осуществима: скважину про-
мывают водой (желательно с ПАВ для лучшего отмыва загрязне-
ний в стволе скважины) и испытывают на приемистость. При
низкой поглотительной способности обводнявшегося пласта перед
закачкой раствора ПАА проводят кислотную обработку призабой-
ной зоны скважины. После удаления продуктов реакции в пласт
закачивают 0.5—1.0°о-пый раствор ПАА при давлениях, не
превышающих горное. Рекомендуемый объем закачки составляет
10—30 м3 па 1 м мощности пласта, однако, как показал промысло-
вый опыт, иногда достаточно 3—5 м3 на 1 м мощности. При за-
качке полимер проникает в наиболее проницаемые обводнивгаиеся
пропластки. Часть полимера адсорбируется и механически
141
удерживается пористой средой при возобновлении эксплуатации
скважины, другая же часть вымывается из пор пласта, но адсор-
бированного количества полимера достаточно, чтобы в несколько
раз снизить проницаемость пористой среды по воде и тем самым
ограничить ее поступление в скважину.
Количество удержанного в пористой среде полимера зависит
от скорости его вытеснения: с увеличением скорости снижается
количество удержанного полимера. Поэтому желательно раствор
ПАА продвинуть в более удаленные от призабойной зоны части
пласта или же закрепить его в непосредственной близости от
ствола скважины каким-либо тампонирующим материалом.
В связи с этим было предложено осуществить закрепление ПАА
в пласте закачкой за раствором полимера небольшого объема
(до 2 т) цементного раствора по упрощенной технологии. Цемент-
ный раствор доводили до перфорационных отверстий, небольшое
его количество задавливали в пласт, а затем производили срезку
и промывку ствола скважины. Как показали промысловые испы-
тания, эта простая операция резко подняла эффективность про-
водимых изоляционных работ с ПАА.
В табл. 30 приведены основные результаты обработки эксплу-
атационных скважин, пробуренных на пласт Б., Радаевского
месторождения. Первые операции проводили малыми объемами
раствора полимера и без закрепления его цементом. Успешность
обработок была очень низкая: из восьми обработок только три
оказались удачными, из них на двух скважинах (скв. 34 и 180)
расход раствора ПАА был более 20 м3.
Увеличение объема закачки полимера в сочетании с последу-
ющим закреплением цементом резко подняло эффективность дан-
ного способа изоляции. Из 10 проведенных операций всегда одна
оказывалась безрезультатной. В остальных скважинах после
проведения изоляционных работ резко сократилось поступление
воды и увеличилась добыча нефти.
Эффективность проведенных работ по изоляции оценивали
по динамике добычи нефти и воды до и после проведенной опе-
рации (рис. 57).
Изоляционные работы с использованием полиакриламида про-
водят достаточно широко и на промыслах США. Технология
обработки эксплуатационных скважин аналогична предложенной
нами. Результаты обработки скважин полимерами довольно по-
дробно описаны в [73, 103 и др.]. Из этих работ следует, что дан-
ный способ ограничения водопритока в обводнившихся скважинах
высокоэффективен. В работах [80, 94] дан анализ результатов
изоляционных работ закачкой полимера в пласт на площади
Бимис Шатс (США), где было осуществлено более 100 обработок.
Практически по всем скважинам резко сократился приток воды,
а добыча нефти возросла. Коэффициент успешности обработок
на этой площади близок к единице.
На месторождениях Мидконтинента было проведено более
142
Т А Б Л II Ц А .3(1
РЕЗУЛЬТАТЫ ОБРАБОТОК СКВАЖИН ПЛАСТА Б, БАДАЕВСКОГО
МЕСТОРОЖДЕНИЯ ПОЛИАКРИЛАМИДОМ
Номер сьпа/кипы Дата провсдс!! ип ремонтно- ИЭО. 1ЯЦ1ЮШ1Ы X раин г Расход До обработки После обработки Продьлп'ител ыюсть аффе’.-та. лее Дополнительно добытая «ефть, т
1го.’1иа1Д)П-;1 а- мида, м:| цемента, Т дебит жид- кости, Т/Су-р , . _ — обводпеР- постп, % дебит жид- кости, •[ Сут 13 с
146 X 1968 6 84 92 60 60 18 5000
109 VII 1969 8 — 30 96 20 98 — 0
34 IX 11169 26,5 — 25 98 26 47 31 2700
173 X 1969 4.7 — 35 98 35 98 — 0
181 X 1969 2.2 — 98 98 98 98 — 0
180 X 1970 27 — 22,1 99 26 87 6 1600
117 4’1 II 1974 7 — 13 98 14 98 0
104 VIII 1974 7 — 4 98 6 99 — 0
123 X 1971. 41.2 2 22,1 99 20 50 9 2500
60 XII 1971 54 7 22 99 30 80 21 3000
173 VIII 1972 56 2 30,5 98 35 37 19 1725
124 IX 1972 67 1,5 19 98 20 60 5 520
109 IX 1973 63 2 20 98 20 98 — 0
120 обработок эксплуатационных скважин растворами ПАА [103]»
Только 15 обработок из общего числа оказались безрезультатными-
Экономически невыгодным автор работы 11031 считает 24 обра-
ботки. На остальных скважинах получен значительный экономи-
ческий эффект, срок окупаемости затрат по .многим скважинам
менее одного месяца.
Недостаток данного способа изоляции это сравнительно боль-
шой расход полимера — до 600 кг полиакриламида (в пересчете
на 100%-ную концентрацию) на одну обработку. Причем,, основная
часть полимера вытесняется из пор пласта в первые же сутки экс-
плуатации скважины после проведения изоляционных работ.
Действительно, исследованиями по динамической сорбции ПАА.
установлено, что при исходной концентрации полимера в растворе.
с„ - 1% величина адсорбции составляет .500—700 г/м3 породы.
В этом случае, как показывают расчеты,, от общего количества
закачанного в пласт полимера адсорбируется примерно 20—25°,и .
Для повышения эффективности применения ПАА, изоляции
и выравнивания профиля приемистости нагнетательных скважин
необходимо снизить подвижность раствора полимера в пористой
среде. Поставленную цель достигают поликонденсацией раствора i
полиакриламида с формальдегидом непосредственно в пористой
среде.
Поликонденсация протекает с образованием пространственной
структуры «сшивкой» макромолекул полимера через метиленовые
мостики пли связыванием метилольных групп соседних ценен
143
58
Рис. 57. Динамика добычи и обводненности
продукции скв. 123 Радаевского месторожде-
ния до и после изоляционных работ:
1 — дебит нефти; 2 — дебит жидкости; 3 — обвод-
ненность
Рис. 58. Зависимость времени реакции по-
ликонденсации ПАА от концентрации фор-
мальдегида (концентрация ПАА—0,5%, на-
чальная температура реакции — 25° С) при
pH смеси:
1 — 2 ; 2 — 4 ; 3 — !г, 4 — 6
Рис. 59. Зависимость времени реакции поли-
конденсации ПАА от температуры (рН=4,0)
при различной концентрации формальде-
гида, %:
1 — 1,4; 2 — 2,0; з — 2,8
с образованием эфирных связей. В результате в пористой среде
образуется гель, свойства которого меняются в довольно широких
пределах в зависимости от концентрации исходных реагентов
и температуры окружающей среды. Скорость поликонденсации
регулируют изменением концентрации исходных реагентов. На
рис. 58 и 59 показана зависимость времени реакции от темпера-
туры, концентрации формальдегида в растворах и от pH среды.
Концентрация ПАА в растворах оказывает значительное влияние
на скорость реакции, однако, как показали лабораторные опыты,
оптимальной концентрацией следует считать 0,5—1,0%-ный рас-
твор ПАА. При более низких концентрациях получаются мало-
упругие гели, увеличение концентрации ПАА выше 1% нецелесо-
образно по экономическим соображениям.
Оптимальной концентрацией формальдегида в рабочем рас-
творе следует считать от 1 до 2% на объем жидкости. При более
144
высоких концентрациях формальдегида скорость химической реак-
ции возрастает, гель образуется через 10—20 ч. Однако в этом
случае реакция конденсации проходит с большой глубиной пре-
вращения, с образованием сшитого полимера, нерастворимого
в воде. Образовавшийся гель сначала мутнеет, а затем через 3 —
5 суток выпадает из раствора в виде белого сгустка. Аналогичным
образом ведет себя гель и в сильно кислых средах (pH 1—2).
Наилучшие результаты получаются при pH = 4—5. С увеличе-
нием значения pH реакция замедляется и в области основных сред
при pH — 8 —11 трехмерной структуры не получается.
На основании лабораторных работ были рекомендованы опти-
мальные концентрации исходных реагентов: полиакриламид —
0,5 —1,0%; формальдегид— 1,4%; pH среды — 4—5. Образу-
ющийся гель сравнительно трудно растворяется в воде. Полная
растворимость наступает лишь через 2—4 ч при условии интенсив-
ного перемешивания. В ряде случаев, когда реакция проходила
с большой глубиной превращения, полной растворимости геля
не достигалось.
Технология приготовления раствора и проведения изоляцион-
ных работ предлагаемым способом приведены ниже.
Вначале готовят 0,5—1,0%-ный раствор ПАА. Количество
раствора зависит от геологического строения пласта и создава-
емой депрессии на пласт. В среднем можно рекомендовать 2—5 м3
на 1 м мощности той части пласта, которая требует изоляции.
Расход реагентов на 1 м3 раствора ПАА составляет: соляной
кислоты 10%-ной концентрации 4,5—5,0 л, формалина (38%-пой
концентрации формальдегида) для получения геля через 1 сут —
50 л и для получения геля через 2 сут — 35 л. Формалин до-
бавляют в раствор непосредственно перед закачкой в пласт. Вяз-
кость полученного раствора зависит от концентрации полиакрил-
амида и его молекулярной массы. Вязкость полученного раствора
после добавления кислоты и формалина изменяется от 5 до 10 сП.
Полученные продукты поликонденсации имели большую кажу-
щуюся вязкость. Время истечения геля из воронки с диаметром
отверстия 5 мм по сравнению со временем истечения исходного
раствора увеличилось в 1000 и более раз. При фильтрации в по-
ристой среде гель проявляет ярко выраженные упругие свойства
с начальным градиентом давления 20—60 кгс/см2-м. С увеличе-
нием градиента давления кажущаяся вязкость полимера сни-
жается.
Вязкоупругие свойства полимера и определяют его селек-
тивность при закачке в неоднородные по проницаемости пласты.
Очевидно, что в более проницаемые пропластки полимер вне-
дрится на большую глубину, чем в малопроницаемые. Учитывая
это, а также то, что при радиальной фильтрации градиент давле-
ния обратно пропорционален расстоянию от скважины, можно
утверждать: при внедрении раствора на глубину 2—3 м от
скважины после поликонденсации фильтрация практически
145
отсутствует. В то же время в пропластках с пониженной проница-
емостью, если даже в них и попадает раствор, происходит дви-
жение жидкости после изоляционных работ.
Предлагаемый способ изоляции нефтяных пластов и выравни-
вания профиля приемистости нагнетательных скважин был опро-
бован в лабораторных и промысловых условиях.
Лабораторные исследования, результаты которых изложены
ниже, преследовали цель установить возможность образования
малоподвижного геля в пористой среде, определить значения
градиентов давления, необходимых для сдвига и фильтрации геля,
а также оцепить эффективность влияния обработок призабойных
зон скважин на характер отбора жидкости из пласта.
В экспериментах использовали металлический кернодержатель,
в котором моделью пористой среды служила колонка искусственно
спеченных песчаников, обжимаемая резиновой манжетой, а также
насыпные грунты.
Зти опыты проводили по следующей методике. Керн насыщали
водой, которую фильтровали при постоянной скорости. Затем
через керн прокачивали 0,5%-пый раствор ПАА с 2% добавки
формальдегида, подкисленный соляной кислотой до pH -= 4.
Па выходе из керпа отбирали пробы, определяли их вязкость
п pH.
Фильтрацию раствора прекращали после того, как вязкость
и величина pH раствора на выходе соответствовали исходным.
После остановки фильтрацию воды возобновляли лишь через
определенное время, необходимое для образования геля в пори-
стой среде. В опытах фиксировали давление перед входом в обра-
зец и расход раствора полимера во времени.
Результаты некоторых опытов показаны ниже- В одном па
опытов в качестве модели пористой среды использовали искус-
ственно сцементированные керны диаметром 29 мм и длиной
25,6 см. Проницаемость керна по воде — 2.8 Д. В этом опыте
после появления раствора ПАА па выходе фильтрацию приоста-
новили на 2 суток. При возобновлении фильтрации воды при той
же объемной скорости, что и до закачки раствора ПАА. давление
резко возросло и сдвиг жидкости произошел при давлении
22,5 кгс/см2. что в несколько сотен раз превышало давление при
фильтрации воды до закачки полимера.
При дальнейшей фильтрации давление продолжало расти и
в описываемом опыте достигло 30,3 кгс/с.м2. Таким образом, для
того чтобы сдвинуть образовавшийся в пористой среде гель,
необходимо создать градиент давления около 90 кгс/см2-м.
В другом аналогичном опыте длина модели составляла 25 см,
а проницаемость 3.22 Д. После фильтрации воды и подкисленного
0,5%-пого раствора ПАА с 2% формальдегида процесс приоста-
новили. Перез 5 сут вновь стали нагнетать воду с той же объемной
скоростью. Сдвиг произошел при давлении перед входом 12 кгс/см2
(градиент давления составлял 48 кгс/см2-м). В дальнейшем давне-
146
ние возросло до 21.6 кгс/см2, а затем несколько снизилось (до
17,5 кгс/см2).
Таким образом, проведенные опыты подтвердили возможность
образования в пористой среде малоподвижного геля — продукта
поликонденсации 0,5%-пого раствора ПАА с формальдегидом
в кислой среде.
Следует отметин,, что эти опыты проводили на модельных
пористых средах — искусственно сцементированных песчаниках.
Подобные опыты проводили также на насыпных моделях, пори-
стую среду которых готовили из смеси песка Чапаевского карьера
с мраморной крошкой (1 : 1 по весу). В этих опытах гель в пласте
не образовывался, так как в результате реакции соляной кислоты
с .мрамором величина pH раствора повышалась и процесс поли-
конденсации не происходил.
Это означает, что данный метод достаточно эффективным может
быть лишь в пластах, сложенных песчаниками, и не может быть
рекомендован для карбонатных коллекторов.
Влияние закачки раствора ПАА с формальдегидом па характер
отбора жидкостей из пласта изучали па плоской радиальной
модели, выполненной из оргстекла в виде сектора радиусом 70 см.
Скважину моделировали отверстием с диаметром 7 мм. Модель
набивали песком равномерно по площади двумя слоями толщиной
по 1 см каждый. Высокопропицаемый нижний слой имел проница-
емость 14,9 Д, а верхний — 3,0 Д. Средняя проницаемость мо-
дели по нефти составляла 9 Д. Слои изолировали друг от друга
полиэтиленовой пленкой. Модель насыщали под вакуумом керо-
сином, который вытесняли нефтью вязкостью 24,9 сП. Заводнение
проводили через галерею по окружности секторной модели, а от-
бор — через скважину. Задавали постоянный расход 200 см3/ч.
Если в натуре гс = 0,1 м, R = 400 и, Ар — 5 кгс/см2, то в опытах
моделировали призабойную зону эксплуатационной скважины
радиусом 10 м.
В процессе закачки вода прорывалась по нижнему высоко-
проницаемому пропластку, обводненность быстро росла, а давле-
ние на входе в модель снижалось. Низкопроницаемый слой обвод-
нялся очень медленно.
В одном из опытов после обводнения скважины на 90% в нее
было закачано 27 см3 0,5?о-ного раствора полиакриламида, под-
кисленного соляной кислотой до pH = 4 с добавкой 1,4% форм-
альдегида. Раствор ПАА распределился по слоям следующим
образом: в высокопроницаемом слое радиус проникновения соста-
вил 28,2 см, а в пизкопроницаемом 5,5 см, что в натуре соответ-
ствовало бы 4 и 0,7 м. Аналогично в другом опыте было закачано
15 см3 раствора, радиусы проникновения составили соответственно
21 и 3,9 см, или 2,95 и 0,55 м в натурных условиях.
Закачанная композиция реагентов после поликонденсации
при возобновлении вытеснения водой привела к резкому снижению
обводненности; в первый момент из скважины добывали безводную
147
нефть. После обводнения низкопроницаемого пропластка со-
держание воды вновь начало расти.
Закупорка высокопроницаемого пропластка, прилегающего
к скважине, оказалась весьма эффективной и, несмотря на рост
давления, движения в этом слое не происходило. Рост перепада
привел к резкому усилению фильтрации по пизкопроницаемому
слою, где вследствие малой глубины проникновения раствора
ПАА закупорки не произошло.
В двух других опытах вытеснение нефти вязкостью 6,6 сП
водой проводили при постоянном перепаде давления 200 см вод. ст.
При обводненности продукции 91% в скважину закачали изоли-
рующую композицию. Постановка изолирующего экрапа в вы-
сокопропицаемом пропластке привела к тому, что после возоб-
новления процесса вытеснения водой скважина длительное время
давала безводную нефть, однако темп отбора при сохранении
прежнего перепада был значительно ниже, чем до обработки.
В следующей серии, проведенной на той же модели с нефтью
вязкостью 25 сП, нагнетание воды вели через скважину, а отбор
через галерею, т. е. моделировали призабойную зону-нагнетатель-
ной скважины.
Так же, как и в предыдущих опытах, закачка воды привела
к быстрому росту обводненности, а изолирующий экран отключил
работу высокопроницаемого слоя. В результате обводненность
снизилась с 88 до 42%, но последующий рост обводненности был
более медленным, чем при изоляции эксплуатационной скважины.
По предлагаемой технологии были проведены три опытные
закачки в нагнетательные скважины Кулешовского месторожде-
ния. Все три закачки дали положительный результат. Для при-
мера приведем результаты по скв. 206, пробуренной па пласт А4
Кулешовского месторождения.
Изоляционные работы проводили по следующей технологии.
Выло приготовлено 20 м3 0,8%-ного раствора ПАА. Расход осталь-
ных реагентов составил: соляной кислоты 24%-ной концентра-
ции — 45 л, формалина 38%-ной концентрации — 700 л. Вяз-
кость закачиваемого раствора — 7,2 сП, pH =-= 3,0. Раствор за-
качивали при давлении нагнетания 40—60 кгс/см2. Через двое
суток скважина была пущена в эксплуатацию.
До и после закачки раствора ПАА с формалином снимали
профиль приемистости (рис. 60). До закачки скважина при-
нимала 1000 м3/сут при давлении па устье 75 кгс/см2, причем
в подошве пласта 1 м мощности принимал 487 м3/сут.
После закачки ПАА этот интервал оказался полностью изоли-
рованным. и скважина стала принимать 875 м:,/сут при давлении
нагнетания 83 кгс/см2 и 1624 м3/сут при давлении 93 кгс/см2 (см.
рис. 60).
Ниже приведены результаты успешного промышленного экспе-
римента по закачке полимерного раствора через нагнетательную
скважину на небольшом участке, подвергнутом заводнению и
148
Рис. 60. Изменение профиля приемистости скв. 206 Кулешовского месторожде-
ния после закачки раствора ПАА с (формальдегидом:
а — до закачки (8 августа), Q — р = 83 кгс/см’: в — после закачки (It
= 1000 ма/сут; р = 75 кгс/см2; 0 — после сентября), Q ~ 1(526 м’/сут; р ~
закачки (5 сентября), Q = 875 м3/сут; =- 93 кгс/см2
представленном неоднородным слоистым пластом. Закачку про-
водили в скв. 10013. находящуюся на Северо-Альметьевской
площади Альметьевскпефти объединения Татнефть.
Технико-геологическая характеристика скважин приведена
ниже.
Площадь.............................
Эксплуатационный горизонт...........
Искусственный забои ................
Интервал перфорации: пласт «Д(» . . .
пласт «а» . . .
Пластовое давление (па 1/1 75) . . . .
Начальный дебит скважины............
Проницаемость: пласт «До» ..........
пласт «а»............
Северо-Альметьевская
«До» и «а»
1773 м
1737,5—1740.5 м
1751,4—177)5,6 м
255 кгс/см2
100 т/сут (безводная)
"80 мД
300 мД
Схемой промышленного эксперимента, представленной в виде
рабочего плана па проведение капитального ремонта скважины,
было предусмотрено:
1) определение приемистости скважины от агрегата при трех
режимах закачки воды;
2) исследование скважины с помощью РГД-4 на приемистость
по пластам «До» и «а» в отдельности;
3) подготовка 100 м3 0,02%-пого раствора ПАА;
4) закачка раствора ПАА с расходом (5—<8 л/с;
5) исследование скважины с помощью РГД-4 в процессе за-
качки раствора ПАА па приемистость по пластам «До» и «а»;
6) пуск скважины под закачку.
Перед проведением работ по капитальному ремонту для ликви-
дации различного рода утечек были предварительно опрессованы.
149
Приемистость, имп/мин
Рис. 61. Результаты испытания
скважины на приемистость:
1 - закачка воды; 2 — заначка а,Од-
ного раствора ПАА
обвязка и устьевое оборудование скважины. Закачку полимерного
раствора проводили следующим образом.
В мешалку через колосниковую решетку подавали 8%-ный
раствор ПАА. Снизу с помощью ППУ-2 нагнетали пар. Одновре-
менно агрегатом в мешалку подавали пресную воду. Присутствие
пара способствует быстрому и полному растворению ПАА в воде.
Все три компонента, смешиваясь в чане, поступали па прием
агрегата ЦА-320, а оттуда в 14 м3 емкости. Раствор ПАА, выходя
из емкостей, вновь поступал на прием агрегата, а оттуда в ме-
шалку, где он смешивался с новой порцией 8%-ного раствора
полиакриламида, водой и паром. В результате всей операции
после многократной прогонки указанных компонентов по замкну-
тому циклу было получено 100 м3 0,02%-ного раствора ПАА.
Подвозимый раствор заливали в чан, откуда с помощью агре-
гата ЦА-320 закачивали по колонне в скважину. Давление за-
качки регистрировали манометром на скважине. Приемистость
скважины определяли с помощью РГД-4, спущенного на забой
скважины через фонтанную арматуру передвижной лаборато-
рией КИП.
Результаты испытания скважины на приемистость по пластам
«До» и «а» на воде и на растворе ПАА приведены на рис. 61.
При закачке воды величина приемистости по пластам «ДО»
и «а» составила 20 и 195 имп/мин, соответственно, а по пласту
в целом — 210 имп/мин при разности забойного и пластового
давлений 35 кгс/см2.
150
Закачка 0,02%-ного раствора ПАА показала увеличение вели-
чины приемистости в целом по пласту до 260 имп/мин, а по про-
пласткам — увеличение по «ДО» до 80 имп/мип и некоторое умень-
шение по «а» до 190 имп/мип при разности забойного и пластового
давлений в 24 кгс/см2.
Результаты эксперимента позволяют сделать вывод, что:
применение водного раствора ПАА в малых концентрациях
приводит к увеличению общей приемистости скважин и выравни-
ванию профиля приемистости по пластам;
для выравнивания профиля приемистости при сильной измен-
чивости эксплуатируемых коллекторов по проницаемости следует
применять заводнение с использованием полимеров.
В заключение можно констатировать, что водорастворимые
полимеры являются достаточно эффективным средством изоляции
обводнившихся эксплуатационных скважин и выравнивания про -
филя приемистости нагнетательных. Испытанные полимеры отве-
чают предъявляемым к изолирующим материалам требованиям,
которые можно сформулировать следующим образом:
1) реагент должен представлять собой истинный раствор,
способный проникать в призабойную зону на значительное рас-
стояние;
2) воздействие реагента должно быть селективным. В эксплу-
атационных скважинах тампонирующий материал не должен
ухудшать продуктивности скважин по нефти. В нагнетательных
скважинах реагент должен обеспечить снижение приемистости
зон поглощения;
3) технология закачки реагента должна быть простой;
4) реагенты должны быть недорогими и педефицитпыми.
ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ
К ВОДОРАСТВОРИМЫМ ПОЛИМЕРАМ, ИСПОЛЬЗУЕМЫМ
ПРИ ЗАВОДНЕНИИ НЕФТЯНЫХ ПЛАСТОВ
На основании лабораторных исследований и опытно-промыш-
ленных испытаний можно сформулировать основные требования
к водорастворимым полимерам:
1) реагент должен представлять собой линейный полимер,
в котором поперечные связи сведены до .минимума,-
2) молекулярная масса полимера должна находиться в пре -
делах 1 — 7 млн. для полиэлектролитов или 3—10 млн. для пе-
поногенных полимеров;
3) выпускаться полимер должен в виде мелкодисперсного
порошка с концентрацией основного вещества 90—100%;
4) степень гидролиза у ПАА предпочтительно иметь в пределах
20—30%;
5) полимер должен быстро и обязательно полностью раство-
ряться в воде. Растворение 0.5 кг полимера в 1 м3 воды должно-
151
протекать не более 1 ч, при этом следует учесть, что растворение
должно проходить в условиях, обеспечивающих минимальную
механическую деструкцию;
6) полимер должен быть достаточно устойчивым, его физико-
химические свойства не должны сильно изменяться во времени
и от температуры;
7) реагент должен быть устойчивым к высаливанию в пласто-
вых водах плотностью 1,18—1,19 г/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/д
ионов кальция и магния;
8) реагент должен эффективно загущать воду при небольших
концентрациях. Вязкость 0,05%-ного раствора в дистиллирован-
ной воде должна быть не менее 5 сП, желательно 10 сП и более,
а для 2%-ного раствора хлористого натрия не менее 2 сП;
9) раствор полимера должен фильтроваться через пористую
среду без затухания, т. е. не забивать поверхности фильтрации.
Снижение подвижности воды в поровом пространстве должно быть
больше, чем обеспечивает стандартная вязкость, т. е. раствор
должен обладать «фактором сопротивления»;
10) адсорбция полимера из раствора в пористой среде должна
быть минимальной с тем, чтобы обеспечить продвижение оторочки
реагента на значительное расстояние но пласту, по адсорбирован-
ный полимер должен обеспечить существенное снижение подвиж-
ности воды, которая движется вслед за раствором полимера, т. е.
должен проявляться «остаточный фактор сопротивления»;
И) срок хранения реагента — не менее 0,5 года;
12) реагент не должен вызывать коррозию оборудования;
13) реагент не должен быть токсичным.
КРИТЕРИИ ВЫБОРА ОБЪЕКТОВ, ПРИГОДНЫХ ДЛЯ ЗАВОДНЕНИЯ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОЛИМЕРОВ
Каждый из разрабатываемых в настоящее время новых методов
воздействия на нефтяные пласты имеет свою оптимальную область
применения. От правильного выбора месторождения во многом
зависят успех и рентабельность осуществляемых мероприятий
по увеличению нефтеотдачи. Область рентабельности применения
полимерного заводнения довольно широка, однако определить ее
границы достаточно обоснованно можно только при комплексном
анализе результатов лабораторных исследований, отечественного
и зарубежного опыта применения полимеров в промышленном
масштабе, а также пользуясь результатами расчетов на ЭВМ
вытеснения нефти из пластов с различной степенью неоднород-
ности растворами полимеров и водой.
Выше на основании результатов физического моделирования
процесса нами уже отмечалось, что эффективность применения
полимеров возрастает по мере увеличения вязкости вытесняемой
нефти и степени неоднородности пластов, содержащих нефти вяз-
132
костью менее 10 сП. Кроме того, было показано, что закачку
раствора полимера целесообразно проводить на ранней стадии
разработки залежей. К аналогичному выводу пришли и амери-
канские исследователи на основании опыта разработки месторо-
ждений < применением заводнения с добавлением полимеров.
В работах [69, 81, 1031 приведен анализ влияния на эффектив-
ность процесса таких параметров, как водопефтяное отношение
перед началом закачки загущенной воды и количество израсходо-
ванного полимера. Для анализа были использованы данные по
34 опытным участкам. К сожалению, в работе отсутствуют сведе-
ния о весьма важных параметрах анализируемых месторождений,
таких, как вязкость нефти, степень неоднородности пластов и др.
Однако это не помешало авторам сделать вполне определенный
и достаточно обоснованный вывод: наиболее эффективен процесс
закачки полимера на ранней стадии разработки, когда водо-
пефтяное отношение не превышает 2. Закачка полимера па ранней ;
стадии разработки (ВНО = 0,02—2,0) позволила дополнительно*
добыть от 1000 до 3000 м3 нефти на 1 т полимера, а на поздней
стадии от 0 до 1000 м3 нефти на 1 т полимера. Для эффективного
применения загустителей на более поздней стадии разработки
требуется больший расход полимеров.
Определенный интерес представляют общие рекомендации по
выбору месторождений для заводнения с применением полимеров,
которые были разработаны Горным бюро США [69, 80 ]. Рекомен-
дации основаны на результатах расчетов па ЭВМ процесса вытес-
нения нефти из слоисто-неоднородных пластов водой и растворами
полимеров различной вязкости (в расчетах вязкость вытесняемой
нефти менялась в пределах от 1 до 100 сП).
Основные выводы авторов работ [69, 801 сводятся к следу-
ющему. Превалирующее влияние на эффективность полимерного
заводнения оказывают начальная водонасыщенность пласта перед
закачкой полимера, степень неоднородности пласта (коэффициент
вариации проницаемости) и вязкость вытесняемой нефти. Есте-
ственно, большое значение имеет и вязкость нагнетаемой в пласт
воды: с возрастанием величины этого параметра увеличивается
п конечная нефтеотдача пласта, однако существуют оптимальные
.значения вязкости воды. На примере вытеснения нефти вязкостью
100 сП показано, что наибольшее увеличение прироста нефте-
отдачи наблюдается при изменении вязкости воды от 1 до 7,5 сП.
В этом случае прирост нефтеотдачи в три раза больше, чем нри
изменении вязкости воды от 7,5 до 15 сП.
Несколько сложнее влияние неоднородности пласта на при-
рост дополнительной нефти, добытой при закачке полимера. Коэф-
фициент вариации проницаемости, характеризующий степень не-
однородности пласта, оказывает сильное влияние на коэффициент
охвата и нефтеотдачу коллекторов, особенно при малых вязко- '
стях нефти (меньше 10 сП). Закачку раствора полимера можно
рассматривать как процесс, способствующий выравниванию' '
153
неоднородности пласта, так как при этом полимер, в основном,
фильтруется через высокопропицаемые пропластки, снижая их
проницаемость. Поэтому применение загущенной воды для сильно
неоднородных пластов, насыщенных маловязкой нефтью, может
оказаться значительно более рентабельным, чем при условии
вытеснения из пих высоковязких нефтей (20 сП и более), так как
это потребует большого расхода полимерного раствора высокой
концентрации.
Аналогичный вывод сделан в работе [23], где отмечается,
что при вытеснении высоковязких нефтей раствором полиакрил-
амида относительный прирост нефтеотдачи в макрооднородных
пластах оказывается более значительным, чем в неоднород-
ных.
Для оценки влияния различных параметров разработки место-
рождений нами проведен расчет па ЭВМ процесса вытеснения
нефти из слоисто-неодиородного пласта водой и раствором поли-
мера. В расчетах принимали обычную схему послойного вытесне-
ния нефти из линейного пласта без обмена жидкостей между
слоями. Вязкость нефти менялась от 1 до 80 сП. Предполагалось,
что закачивается раствор полиакриламида Пушер-500 0,025%-ной
концентрации. Исследованиями установлено, что при такой кон-
центрации этого реагента подвижность раствора при фильтрации
в пористой среде снижается по сравнению с водой примерно
в 10 раз. Объем оторочки в расчетах принят 30% от начального
содержания нефти в пласте. Раствор полимера закачивали на
различной стадии разработки. В расчетах учитывали адсорбцию
и десорбцию полимера, а также остаточный фактор сопротивления
в зоне, охваченной полимером. Данная схема расчета разработана
в БашНИПИнефть Б. И. Леви [29].
Результаты расчетов приведены па рис. 62, из которого видно,
что количество дополнительно добытой нефти сильно зависит ст
обводненности продукции, достигнутой перед нагнетанием поли-
мера в пласт, и от вязкости вытесняемой нефти. Например, за-
качка раствора ПАА с начала разработки залежи нефти вязкостью
80 сП позволяет добыть около 3000 т нефти на 1 т израсходован-
ного полимера (в пересчете па 100%-ную концентрацию), при
использовании полимера, когда обводненность продукции до-
стигла при обычном заводнении 95%, — всего 250 т нефти на 1 т
полимера.
Зависимость дополнительной добычи от вязкости нефти пока-
зана на рис. 63. Из рисунка видно существенное влияние этого
параметра на эффективность применения полимеров. Для при-
нятой в расчетах степени неоднородности коллектора в результате
закачки загущенной воды с начала разработки пласта, насыщен-
ного нефтью вязкостью 80 сП, можно добыть в 5 раз больше
нефти па 1 т 100%-ного полимера, чем при вытеснении этим же
раствором нефти вязкостью 1 сП. Наибольшее увеличение допол-
нительной добычи наблюдается при повышении вязкости нефти
154
1 — 0; 2 — 50;
3 — 7 О’, 4 — 80 •, a — 90
Рис. 62. Зависимость дополнительной добычи нефти от обводненности
продукции перед закачкой раствора полимера в пласты, содержащие нефть
различной вязкости, сП:
Рис. 63. Зависимость дополнитель-
ной добычи нефти от ее вязкости при
различной обводненности продукции
перед закачкой раствора полимера, % 1
1 - Г, 2 — 10; .3 — 18; 4 —
Л — 80;
7 — осредпспная по результатам разра-
ботки 5<> опытных участков с применением
полимерного заводнения (США) (671
от 1 до 30 сП. При дальнейшем росте вязкости нефти темп увели-
чения прироста нефтеотдачи падает.
Таким образом, па основании всего вышесказанного, а также
учитывая результаты лабораторных исследований, можно реко-
мендовать критерии выбора залежей нефти, пригодных для за-
воднения с применением полимеров. Они могут быть сформули-
рованы следующим образом.
1. Желательно, чтобы вязкость нефти в пластовых условиях
была в пределах 3—30 сП. При более низких значениях вязкости
нефти закачка загущенной воды будет достаточно эффективной
только в сильно неоднородных пластах при коэффициенте вари-
ации проницаемости больше 0,8. Например, опыт применения
раствора ПАА на месторождении Портист Хелсвилл в штате
Техас, США [90], показал, что несмотря на очень низкую вяз-
кость нефти в пластовых условиях (0,072—0,090 сП) была до-
стигнута высокая эффективность процесса. Обычное заводнение
оказалось малоэффективным в результате того, что залежь пред-
ставляла собой двухпластовую систему с резко неоднородной.
155
проницаемостью, закачка воды, вязкость которой в пластовых
условиях составляла примерно 0,27 сП, привела в резкому обвод-
нению скважин. Нагнетание в пласт оторочки полимера 0,05%-ной
концентрации позволило повысить нефтеотдачу на 40%. В целом
по залежи дополнительная добыча составила 1360 м? на 1 т
100%-ного полиакриламида, закачанного в пласт.
Заводнение с использованием полимера на месторождениях
с вязкостью нефти более 50 сП желательно проводить в относи-
тельно однородных пластах. В этом случае эффект достигается
за счет подавления вязкостной неустойчивости высоковязким
вытесняющим агентом. Однако и в этом случае потребуется по-
вышенный расход реагента.
2. Следует отдать предпочтение залежам, представленным пес-
чаными коллекторами со средней проницаемостью 0,2 —1,0 Д.
В карбонатных коллекторах эффективность снижается в резуль-
тате более высокой, чем в песчаниках, адсорбции полимера и на-
личием в них, как правило, достаточно разветвленной системы
трещин. Однако опыт разработки пласта Ал Орлянского место-
рождения с применением ПАА показал, что в слаботрещиноватых
известняках может быть достигнута высокая степень использо-
вания геологических запасов.
Нижний предел проницаемости устанавливают, учитывая со-
хранение темпа отбора жидкости в период закачки оторочки поли-
мера. При очень низкой проницаемости коллектора целесооб-
разно применять полимер с низкой молекулярной массой (1 —
2 млн.), который может проявлять высокий фактор сопротивления
в пористой среде с низкой проницаемостью.
3. Разработку месторождения следует проводить внутрикоп-
турным заводнением. Для более рационального использования
оторочки полимера и поддержания высокого уровня отбора
жидкости в период ее закачки рекомендуются высокоактивные
площадные или однорядные системы разработки. В случае при-
менения малоактивных миогоиядных систем не исключена потеря
полимера в результате отбора его первым рядом скважин и низким
охватом вязкой жидкостью участков пласта за пределом первого
ряда.
В рассматриваемом нами случае избирательная система завод-
нения может оказаться особенно эффективной.
4. Для приготовления раствора полимера полиэлектролитяого
типа (например, ПАА) желательно использовать слабомиперали-
зованную воду, поэтому в период закачки оторочки загущенной
воды необходимо иметь водоисточник пресной воды. Последующее
вытеснение можно проводить и пластовой оторочкой сточной воды.
Однако тогда остаточный фактор сопротивления окажется значи-
тельно ниже, чем при вытеснении оторочки полимера пресной
водой.
5. Применять заводнение с добавлением полимеров жела-
тельно с начала разработки залежи нефти. При этом достигается
156
более высокая безводная и конечная нефтеотдача. Рентабельность
метода резко возрастает.
6. Глубина залегания залежи и мощность продуктивной части
пласта не лимитируются.
7. Температура пласта не должна превышать 100° С. При более
высокой температуре эффективность снижается в результате паде-
ния вязкости полимерного раствора и деструкции макромолекул.
Выше перечислены условия наиболее эффективного примене-
ния полимеров при заводнении нефтяных пластов. Однако область
рентабельного применения метода значительно шире.
1. Вязкость пефти в пластовых условиях может изменяться
в пределах от 0.1 до 400 сП.
2. Коллектор может быть сложен не только песчаником, по
и слаботрещиноватым известняком, доломитом со средней про-
ницаемостью от 0,1—4,0 Д.
3. Водонефтяное отношение, при котором начинается закачка
оторочки полимера, может находиться в пределах 10—30.
4. Пластовая температура — ниже 150° С.
Глава IV
ВЛИЯНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ ДОБАВОК
НА ГИДРАВЛИЧЕСКУЮ ХАРАКТЕРИСТИКУ
ТУРБУЛЕНТНЫХ ПОТОКОВ
ВОПРОСЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК НЕФТЕЙ РАЗЛИЧНЫМИ ДОБАВКАМИ
При трубопроводном транспорте нефтей и нефтепродуктов часто
возникают ситуации, требующие регулирования гидродинами-
ческих параметров. Эти задачи решаются по-разному для низко-
и высоковязких (парафинистых) нефтей.
При транспортировании па большие расстояния низковязких
ньютоновских нефтей (до 3 сП) чаще всего имеет место турбулент-
ный режим, при котором возникают повышенные гидродинами-
ческие сопротивления. Возможность снижения гидравлических
сопротивлений с помощью малых добавок высокомолекулярных
соединений была показана в 1959 г. Томсом [101]. Практическое
использование этого эффекта изучали многие авторы в нашей
стране и за рубежом в последующие годы [45, 96].
Одна из последних работ по этой проблеме проведена
в МИНХиГП А. 3. Темчиным [58]. Работая на замкнутом стенде
с центробежным насосом, он к керосину добавлял полиизобутилен
с молекулярной массой 1,76 • 10s. При концентрации ПИБ 0,05%
получено снижение сопротивления па 18% при Re -- 42 • 101
на трубах диаметром 11 мм.
Автор отмечает, что столь низкая эффективность полимера
по сравнению с данными, приведенными в работе [96]. объяс-
няется малой молекулярной массой используемого полиизобути-
лена. По результатам этой работы сделан вывод о том, что для
внедрения полимерных добавок в практику транспорта нефти
и нефтепродуктов необходимы поиски и производство новых более
эффективных нефтерастворимых полимеров с молекулярной мас-
сой не менее 5—6 млн., молекулы которых обладали бы гибкостью
и имели линейную структуру.
Поиски более пригодных пефтерастворимых полимеров при-
вели к попытке использовать асфальтены и смолы-продукты,
содержащиеся в остатках крекинг-процесса или прямой пере-
гонки нефти [46].
Предварительные исследования снижения сопротивления
в турбулентном режиме проводили на нефти Сомакюрского место-
рождения и дизельном топливе. В качестве добавок использовали
<54
асфальтены молекулярной массы 1320, смолы М-800, их искус-
ственные смеси в различных соотношениях и гудрон, представля-
ющий собой смесь тяжелых фракций нефти. Для сравнения ис-
пользовали добавки иолиизобутилеиа с М = 10 000. Опыты про-
водили на трубчатой установке разомкнутого типа на трубках
с d = 0,6 см. I 220 см и d ; 1,0 см, I — 290 см. Результаты
экспериментов для трубки с d = 0,6 см, обработанные в безраз-
мерных координатах 1g X = / (1g Re), приведены на рис. 64.
В опытах с тюменской нефтью (вязкость при 20J С 16 сП)
на трубке с d —0,6 см при концентрации 0,79% вес. получено
максимальное снижение сопротивления примерно 45% для Re
= 4,5 • Ю3. При концентрации асфальтена 1,0% снижение сопро-
тивления такое же, как при концентрации 0,75%, а при концентра-
ции 0.25% значительно ниже (примерно на 20%). Очевидно,
оптимальная концентрация асфальтена для данной нефти нахо-
дится в пределах 0.75—1.0%.
При таких же добавках асфальтенов и смол к дизельному
топливу получено снижение сопротивления па 10%, по уже при
Re — 3,5 • 10* для трубы cd- 1,0 см и на 15% для трубы cd -
— 0,6 см при Re — 101.
Такое различие можно объяснить, по-видимому, тем, что
молекулярная масса асфальтенов недостаточно велика и сами по
себе частицы асфальтенов не способны снижать гидравлические
сопротивления, по крайней мере, в исследуемом интервале чисел
Рейнольдса. В тюменской нефти имеется некоторое количество
смол, которые, соединяясь с асфальтенами, увеличивают их моле-
кулярную массу. Подтверждение этого предположения видно из
результатов опытов со смесью в равных объемах дизельного то-
плива и тюменской нефти, в каждом из которых растворено 0.7%
асфальтенов. Снижение сопротивления оказалось равным 20%
(при Re = 9-103). Результаты экспериментов на трубках с диа-
метром 0,6 см для тюменской нефти с добавкой 0,8 и 1,2% гудрона
приведены на рис. 65. При добавке 0,8*16 гудрона для числа Рей-
нольдса 4,5 103 получено снижение сопротивления 40 и 35%
для трубок диаметром 0,6 и 1,0 см. Результаты проведенных
исследований, а также то обстоятельство, что асфальтены и с но .ты
не подвержены механическому разрушению структуры молекул,
дали основания предположить об эффективности применения
таких добавок и продолжать исследования в направлении при-
менения их при транспортировке нефти и нефтепродуктов на
трубах больших диаметров.
Существует несколько методов обработки высокопарафипистой
нефти, обеспечивающих возможность прокачки ее по трубам
в условиях пониженных температур окружающей среды. К этим*
методам относятся как подогрев нефти на всем пути перекачки
с помощью промежуточных нагревательных станции, так и до-
бавление к нефти различных присадок, таких как депрессаторы,
ПАВ, жидкие предельные углеводороды и др.
159
Рис. 64. Зависимость Л— Л (Re) для тюменской нефти и дизельного топлива
с добавками асфальтенов и смол (d = 0,6 см):
1 — нефть, дизельное топливо; 2 — смесь
дизельного топлива (50%) и нефти с 0,7%
асфальтенов,
Рис. 65. Зависимость X = X (Re)
• — нефть; с — нефть с 0,8% гудрона;
з, 4, 5 — нефть с добавками асфальтенов
в количестве 0,3, 0,7 и 1,0%, соответ-
ственно
X —нефть с 1,2% гудрона
Известен метод обработки высокопарафипистой нефти, изме-
няющий ее реологические свойства с помощью депрессаторов,
в частности марки «Paramins» ЕСА4242. Эти присадки способ-
ствуют увеличению производительности трубопровода и обеспе-
чивают пуск трубопровода после аварийных остановок. Как
показали исследования ВНИИСПТпефть [49], оптимальная кон-
центрация этих присадок составляет 0,02—0,15 вес. %. Однако
эта присадка эффективна при температурах 15—25° С. Применение
ее на нефтепроводе Узепь — Гурьев — Куйбышев не обеспечивает
перевод трубопровода на работу без промежуточных тепловых
станций, а позволяет лишь сократить их число. Под руководством
одного из авторов во ВНИИ разработан способ комплексного
воздействия термообработки и добавки ПАВ типа мылонафта.
Исследованы добавки трех видов ПАВ: нафтенат алюминия,
эмульфор и эмультал. Нафтенат алюминия представляет собой
алюминиевую соль нафтеновой кислоты, растворяется в нефти
при температуре 100° С.
Эмульфор-ФМ — моноэфир триэтаноламина и олеиновой кис-
лоты — представляет собой маслянистую вязкую жидкость желто-
коричневого цвета, хорошо растворимую в спиртах, бензоле,
метане; легко растворяется в нефти и нефтепродуктах.
Эмультал — продукт, разработанный ВНИИБТ для получения
эмульсий типа вода — масло, от эмульгатора отличается тем, что
олеиновая кислота заменена жирнокислотной фракцией таллового
масла, представляющей собой смесь жирных смоляных и нафтено-
вых кислот. Исследования проводили с нефтью месторождения
Узень, обладающей ярко выраженными тиксотропными свой-
ствами, т. е. способностью восстанавливать свою структуру после
снятия сдвиговых напряжений.
Исследования вели по следующей методике. Герметически
закрытые пробы нефти нагревали до 70—80' С и вводили одну
из указанных добавок. После этого температуру доводили до
160
ТАБЛИЦА 31
ПРЕДЕЛЬНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ СДВИГА т0, дин/см2
Содержание добавки, % Время после обработки, суг
1 8 20
Скорость охлаждения 20 °С/ч
0 750 753 831
0,013 745 1070 2180
0,05 475 5270 6640
0,1 — 474 —
Скорость охлаждения 40 °С/ч
0 675 990 1158
0,013 952 825 1450
0,05 475 1020 1180
0,1 — 474 —
Скорость охлаждения 60 °С/ч
0 483 3400
0,013 442 990 1200
0,05 414 460 1320
0,1 220 — —
П р и меча п и е. Исходная нефть имела т0 =20 000 дип/см2.
110° С, выдерживали в течение 15 мин, после чего охлаждали
с заданным темпом: 60, 40 и 20 °С/ч. Затем пробы помещали в холо-
дильник с температурой 8° С на одни, 8 и 20 сут для выявления
эффекта тиксотропного восстановления структуры. Влияние термо-
обработки определяли по контрольному образцу. Измерение
предельного напряжения сдвига проводили при температуре 8° С
на вискозиметре «Reotest-2» по максимальному значению напря-
жения сдвига в момент вращения внутреннего цилиндра.
Полученные результаты исследований по добавке нафтената
алюминия сведены в табл. 31, из которой видно, что темп охла-
ждения играет существенную роль в процессах структурообразо-
вания как термообработанной нефти, так и нефти с добавкой
нафтената, причем это влияние различно. Максимальное снижение
предельного напряжения сдвига достигается при концентрации
нафтената 0,1% и темпе охлаждения 60 °С/ч, однако это экономи-
чески невыгодно.
Наиболее целесообразным оказалось применение добавки наф-
тената с концентрацией 0,05 вес. % при темпе охлаждения 60 °С/ч.
При этих условиях в течение 10 сут практически отсутствуют
тиксотропные проявления и поверхностное натяжение снижается
с 20-105 до 4,6-102 дин/см2.
Механизм совместного действия термообработки и добавки
нафтената алюминия, по всей видимости, заключается в том, что
1/2 6 Заказ 522
161
в момент, когда в остывающей нефти начинают образовываться
кристаллы парафина, нафтенат, как поверхностно-активное веще-
ство, адсорбируется на поверхности этих кристаллов, не давая им
соединяться в более крупные агрегаты и образовывать сложную
структуру. Концентрация нафтената должна быть такова, чтобы
он образовывал монослой между частицами парафина, так как
при избытке его может произойти загущение системы из-за того,
что структура нафтената довольно прочная, особенно по отноше-
нию к сдвиговым напряжениям.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДОБАВОК КОКСА, ГУДРОНА
И АСФАЛЬТЕНОВ НА СНИЖЕНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО
СОПРОТИВЛЕНИЯ
При движении нефти и нефтепродуктов по трубопроводу воз-
никают гидравлические сопротивления. Была сделана попытка
использовать добавки кокса (пека), гудрона и различных про-
дуктов, приготовленных на их основе, для снижения гидравли-
ческих сопротивлений.
Ниже приведены схемы экспериментальной установки, мето-
дика работы, а также результаты опытов.
Описание экспериментальной установки
Гидравлические исследования проводили на эксперименталь-
ной установке, предназначенной для изучения влияния различ-
ных добавок (нефтяного кокса, гудрона) на величину коэффи-
циента гидравлического сопротивления, принципиальная схема
которой показана на рис. 66. В основу работы экспериментальной
установки положен принцип создания гидравлического циркуля-
ционного кольца.
Установка состояла из приемной емкости 2, центробежного
насоса 3 марки ЗК-6 производительностью QH = 30—70 м3/ч,
стального трубопровода 8 (d — 4 см с длиной замерного участка
I = 450 см), подающего трубопровода 2, возвратного трубопро-
вода 9 с поворотной трубой 10 и измерительного бака 11 емкостью
82 л.
Центробежный насос приводился в действие электродвигате-
лем 4 типа ЯЭМ мощностью N = 20 кВт с частотой вращения вала
и — 920 об/мин.
Задвижка 5 на выкидном патрубке центробежного насоса,
позволяла плавно регулировать расход жидкости на экспери-
ментальном участке трубопровода в достаточно широком диапа-
зоне.
Расход жидкости измеряли объемным методом по времени
заполнения тарированного бака 11, который устанавливали
в конце трубопровода. Замеры давления проводили в точках 7
образцовыми манометрами 6.
162
Рис. 66. Схема эксперимен-
тальной установки
При замере расхода жидкости на экспериментальном участке
трубопровода использовали перекидное устройство, позволяющее
направить жидкость либо в приемный бак 7, либо в мерную ем-
кость 11.
При предварительной обработке результатов экспериментов
вычисляли среднюю объемную скорость жидкости v = QIF', ли-
нейные потери напора (Др) на основании показаний образцовых
манометров; параметр Re; коэффициент гидравлического сопро-
. 2dgF2 Ар п х
тивления А = —и строились зависимости Q — Др
и А — Re.
Установку тарировали чистым керосином (керосин без каких-
либо добавок) и чистой нефтью, т. е. для них были построены
кривые Q = Q (Др) и А = A, (Re).
Использованные в дальнейшем смеси типа керосин + нефтяной
кокс, керосин + гудрон, нефть + гудрон готовили в различных
концентрациях.
Опыты с добавкой к керосину нефтяного кокса
Добавкой к керосину служил нефтяной кокс с частицами
диаметром 0,125 мм d -<0,325 мм. Опыты проводили с кон-
центрациями с = 0—0,4%.
Предварительно были построены зависимости объемного рас-
хода смеси керосина с нефтяным коксом от перепада давления на
замерном участке; при этом отношение длины I замерного участка
к диаметру d составляло примерно 112.
На основе этих зависимостей можно отметить, что с увеличе-
нием концентрации наблюдается увеличение объемного расхода,
который при с = 0,3% достигает своего максимального значения.
Однако при дальнейшем увеличении концентрации отмечается
снижение объемного расхода. Результаты опытов, обработанные
в координатах А = А (с) при значении Re = 80 000, приведены
на рис. 67 (кривая 1), откуда видно, что наибольшее снижение
гидравлического сопротивления наблюдается при концентрации
с = 0,3% и составляет примерно 50%.
163
Рис. 67. Зависимость гидравлического сопротивления от концентрации
добавок в системах типа:
1 — керосин + кокс; 2, з — керосин 4- гудрон
Рис. 68. Зависимость изменения относи-
тельного расхода (1—4) и потерь (5, 6)
от концентрации кокса в керосине
На рис. 68 приведена зависимость относительного изменения
объемного расхода 100 от концентрации нефтяного кокса,
п л - Q1
где Q1 — объемный расход для керосина при данном значении
перепада давления на замерном участке; Q2 — объемный расход
смеси керосина с нефтяным коксом при тех же значениях перепада
давления.
Кривые 1 и 2 (см. рис. 68) рассчитаны соответственно для
двух значений перепада давления Ар = 0,5 и 0,25 кгс/см2 на
замерном участке; при одинаковых значениях концентрации с =
= 0,3%; относительный расход заметно увеличивается с ростом
перепада давления.
При этом, как следует из рис. 68 (кривая 5), снижение сопро-
тивления при движении смеси керосина с нефтяным коксом дости-
гает примерно 26% при концентрации с = 0,3%.
Опыты с добавкой к керосину гудрона
Аналогичные эксперименты были проведены с добавкой к ке-
росину гудрона. Изменение концентрации гудрона в керосине
составляло 0—1%. Отношение длины замерного участка I к его
диаметру d — примерно 112.
Результаты опытов показали, что увеличение объемного рас-
хода наблюдается в интервале концентраций от 0 до 0,6%; при
дальнейшем увеличении от 0,6 до 1% происходит снижение объем-
ного расхода.
164
Рис. 69.
системы
трации,
1 — 0;
Обработкой результатов опыта в координатах А X (с) (см.
рис. 67. кривая 2) установлено, что наибольшее снижение А
соответствует с = 0,6% при Re = 80 000.
Зависимость относительного снижения гидравлического со-
противления от концентрации приведена на рис. 67 (кривая 3),
откуда следует, что наибольшее относительное снижение при
с = 0,6% составляет 33%. На рис. 68 (кривые 3, 4 и 6) показано
изменение относительных расходов и потерь в зависимости от
концентрации, откуда видно (кривые 3 и 4), что максимальное
относительное увеличение объемного расхода соответствует кон-
центрации с = 0,6%. При этом наибольшее относительное увели-
чение объемного расхода наблюдается при увеличении вдвое
перепада давления (кривым 3 и 4 соответствуют перепады давле-
ний Др = 0,5 и 0,25 кгс/см2).
Максимальное снижение потерь давления наблюдается при
концентрации с = 0,6% и составляет примерно 37% (кривая 6).
Опыты с добавкой к нефти гудрона
Основой, к которой добавляли гудрон, служила бинагадин-
ская нефть (НГДУ Кировнефть) с динамической вязкостью 28 сП.
Опыты проведены на трубопроводе диаметром d = 63 мм и длиной
рабочего участка I = 800 см, отношение lid = 125; концентрация
гудрона в нефти составляла 0—0,9%.
При увеличении концентрации от 0 до 0,4% наблюдается
заметное увеличение объемного расхода, а дальнейшее увеличение
концентрации от 0,4 до 0,9% приводит к его снижению.
На рис. 69 построен график А = A (Re) для концентраций
с = 0 и 0,4% (кривые 7, 2). Экспериментальные же точки, соот-
ветствующие концентрациям с = 0,2; 0,6; 0,8 и 0,9%, находятся
между кривыми 7, 2 (они не нанесены, чтобы не загромождать
чертеж).
Из рисунка 69 следует, что снижение гидравлического сопро-
тивления наблюдается уже при незначительных добавках гудрона
и достигает своего максимума при с = 0,4%.
6 Заказ 522
165
ОЦЕНКА НАЧАЛА ПРОЯВЛЕНИЯ ЭФФЕКТА СНИЖЕНИЯ
ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ
Для оценки начала проявления эффекта снижения гидравли-
ческих сопротивлений 1 по длине трубопровода при турбулентном
течении в них жидкостей с полимерными добавками В. В. Сафаро-
вым были проведены экспериментальные исследования на про-
мышленной установке по перекачке дегазированной нефти с добав-
ками нефтерастворимого полимера.
Дегазированную нефть использовали из верхнего горизонта
продуктивной толщи Балаханы — Сабунчи — Романинского
месторождения с плотностью 0,870 г/см3, а в качестве добавок —
полиизобутилен (ПИВ) с молекулярной массой (1,8—2,0)-104.
Установка разомкнутого типа состояла из центробежного
насоса, регулируемого на выходе, экспериментального участка
трубы с установленными на ней самозаписывающими маноме-
трами и мерной емкости. Длина мерного участка и диаметр трубо-
провода составляли соответственно 512 и 0,1 м.
Центробежный насос засасывает нефть из приемного резер-
вуара, установленного ниже оси насоса по всасывающему па-
трубку, на конце которого предусмотрен фильтр. При этом уро-
вень жидкости в приемном резервуаре изменялся в пределах 2 м.
Во время перекачки уровень нефти в приемном резервуаре сни-
жался до фильтра, после чего прекращали измерение объемного
расхода и опыт считали законченным. Это приводит, естественно,
к тому, что объемный расход во времени снижается до определен-
ного значения.
На основании проведенных опытов были построены зависи-
мости изменения объемного расхода — Q во времени — Т при
перекачке дегазированной нефти и нефти с добавками ПИВ
(рис. 70).
Каждая точка на графике Q = Q (Г) соответствует среднему
значению объемного расхода жидкости минимум трех замеров,
проводимых в течение 5 мин. Так, например, максимальный
расход дегазированной нефти в начале опыта приводит к пониже-
нию уровня в приемном резервуаре на 12 см. Поскольку напор
насоса определяется разностью полного напора жидкости после
насоса и перед ним, в расчеты каждый раз вносится погрешность,
равная 0,01 кгс/см2, что находится в пределах погрешности изме-
рений. Таким образом, снижение уровня в приемном резервуаре
практически не влияет на средние значения замеряемых объемных
расходов, что позволяет считать в каждый момент времени про-
цесс перекачки нефти квазистационарным.
Самозаписывающие манометры с демпфирующими устройствами
были установлены в начале и в конце трубопровода, а также на
1 Под началом проявления эффекта подразумевается заметное снижение
сопротивления, наблюдаемое в сечении трубы на определенном расстоянии
от входа потока в нее.
166
Рис. 70. Изменение расхода нефти во
времени при концентрации, %:
1—0; 2 — 0,05; 3 — 0,11
расстоянии 156 и 432 м от начала трубопровода. ПИБ подавали
дозирующим устройством на входе в трубопровод.
Опыты проводили при примерно одинаковой температуре —
28° С с объемными концентрациями ПИБ в дегазированной нефти
0,05 и 0,11%.
Результаты опытов с нефтью были сопоставлены с кривыми
Л = /. (Re) [96] для старых стальных труб и показали хорошую
сходимость в значениях коэффициента гидравлического сопроти-
вления X. Это указывает на то, что подбор начального участка
и длины трубопровода были рассчитаны правильно.
При сравнении кривых 2 и 3 с кривой 1 (рис. 70), как и следо-
вало ожидать, заметно увеличение объемного расхода нефти с до-
бавками ПИБ. При этом увеличение объемной концентрации ПИБ
в нефти приводит к увеличению объемного расхода через некоторое
время.
Если точка аг (см. рис. 70), после которой начинается увели-
чение расхода, соответствует Т = 26 мин для концентрации
0,05%, то точка соответствует уже меньшему интервалу вре-
мени — 20 мин при концентрации 0,11%.
Это указывает на то, что с увеличением концентрации начало
увеличения объемного расхода происходит раньше.
Зависимости значения давления во времени для четырех сечений,
в которых установлены манометры для чистой нефти и для нефти
с концентрацией ПИБ 0,11%, приведены на рис. 71. Сравнение
значений рг и р2 позволяет отметить, что снижение давления
происходит только после 30 мин прокачки нефти с добавкой ПИБ.
Обработанные экспериментальные данные для участка, рас-
положенного между первым сечением и концом трубопровода
в координатах % — с, приведены на рис. 72. В течение первых
30 мин значение X независимо от концентрации остается практи-
чески постоянным, затем наблюдается заметное снижение л.
Таким образом, на основании промышленных опытов уста-
новлено, что при турбулентном течении жидкостей с добавками
полимеров (ПИБ) начало снижения гидравлического сопроти-
вления по длине трубы происходит не мгновенно на некотором
расстоянии от начала трубопровода ZHa4. При этом каждой кон-
центрации соответствует определенное значение lK!l4ld.
Концентрация, % ^нач’ м ^нач^
0,05 226 2260
0,11 70 700
6*
167
Рис. 71. Изменение давления по длине трубопровода:
------- нефть; — — — нефть + ПИБ (с = 0,11%)
V/Or
1 0 -30 май
5 ----------------1----------------J—1
о 005 О,/о
Иони,ентрацир: °/а
Рис. 72. Снижение гидравлических сопротивлений при течении нефти
в трубопроводе:
7 — 0—30 мин, 11 — 30—75 мин
На наш взгляд, отмеченный эффект может быть объяснен
выравниванием объемных концентраций полимерных добавок
в турбулентном потоке жидкости, определяемым концентрацией
полимера и диаметром трубопровода.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ ДОБАВОК
НА ГИДРОДИНАМИКУ ПСЕВДООЖИЖЕНИЯ
ЗЕРНИСТОГО МАТЕРИАЛА
Представляет интерес изучение взаимодействия фаз в потоке
многофазной и многокомпонентной системы, что характерно для
процессов псевдоожижения зернистого материала.
Б. М. Якубовым были проведены исследования влияния поли-
мерных добавок на процесс псевдоожижения зернистого мате-
риала в трехфазном потоке.
Эксперименты по изучению влияния карбоксиметилцеллю-
лозы (КМЦ) на процесс псевдоожижения зернистого материала
были проведены на установке, схема которой показана
на рис. 73.
Водный раствор КМЦ готовили в приемной емкости центро-
бежного насоса, после чего были определены реологические пара-
метры на капиллярном вискозиметре. Эксперименты проводили
в трубке с диаметром 2, 3 и 4 см и длиной 350 см, зернистым мате-
риалом служил кварцевый песок с диаметром фракций от 0,85
до 2,0 мм. Ожижение зернистого материала проводили водой,
системой вода -j- воздух, водным раствором полимера и системой
раствора полимера + воздух.
Концентрация полимера в водном растворе составляла 0,1;
0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6 и 0,8 вес. %. Высота первоначальной за-
сыпки hQ составляла 20, 25 и 30 см. Расход воздуха QB изменяли
от 700 до 6000 см3/мин. Долю каждого его значения в зависимости
от концентрации КМЦ определяли по расходу жидкости, соот-
168
Рис. 73. Экспериментальная ус-
тановка для исследования влияния
полимера на газонасыщенность
потока:
1 — проницаемый камень (для раздроб-
ления пузырьков воздуха); 2 — сме-
ситель; 3 — отсекатели; 4 — мано-
метры; 5 — стеклянные трубы; 6 —
сепаратор с замерн. стеклом; 7 — га-
зовый счетчик; 8 — приемная емкость;
— центробежный насос; 10 — уров-
недержательная система
Рис. 74. Изменение Qw в зависимости от концентрации полиокса при
см3/мин:
2 — 0; 2 — 600; 3 — 1400; 4 — 2100;
.5 — 3600; = 20 см, d = 1,6—2,0 мм
Рис. 75. Зависимость величины расширения зернистого слоя от QyK при Qr,
см3/м и н:
2—0; 2 — 600; з — 1400;
4 — 2100; 5 — 3600
ветствующему началу уноса зернистого материала из псевдоожи-
женного слоя
Опыты показали, что увеличение концентрации КМЦ в потоке
ожижающей среды до 0,6% сопровождается снижением значения
Ож- Дальнейшее увеличение концентрации КМЦ до 0,8% при-
водит к увеличению указанного параметра. Эффективное влияние
169
EuVlH на значение Q'n наблюдается при концентрации КМЦ 0,3 —
0,4%.
Это объясняется тем, что присадки КМЦ адсорбируются на
оболочке воздушных пузырьков. Активизация среды с добавками
КМЦ в трехфазных системах приводит к уменьшению взаимодей-
ствия частицы с потоком, которую можно объяснить более раз-
витой поверхностью взаимодействия фаз. Аналогичные опыты,
были проведены с добавкой полиокса (рис. 74).
Как видно из рис. 74. эффективное снижение значения
при Qr = 0 и при Qs = 600 см3/мин достигается при концентрации
полиокса 0,02%, а при QB = 1400, 2100, 3600 см3/мин — при
концентрации 0,01 %.
На рис. 75 представлена зависимость величины расширения
слоя (АЛ) от расхода жидкости, соответствующего началу уноса
зернистого материала из псевдоожиженного слоя (Q^), при таких
же, как и на рис. 74, значениях QB.
Из рисунка видно, что минимальный унос твердых частиц
из псевдоожиженного слоя происходит при расходе воздуха <2В =
= 1400—2100 см3/мин; увеличение расхода воздуха до Qv =
= 3600 см3/мин и более приводит к увеличению значения пара-
метра Q'K.
Добавление полимеров гасит пульсации давления. При акти-
вированной аэрированной жидкости величина расхода, при кото-
ром начинаются псевдоожижение и унос зернистого материала
из псевдоожиженного слоя, уменьшается.
Согласно результатам исследований, добавление к потоку
жидкости малых полимерных добавок в трехфазной системе
приводит к изменению основных параметров процесса псевдо-
ожижения, связанного с турбулизацией слоя песка. Введение
в поток ожижающей среды частиц полимерных добавок приводит
к изменению турбулентных пульсаций, вследствие чего при
одинаковых перепадах давления происходит изменение расхода
потока и изменяются основные параметры процесса псевдоожи-
жения.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК
ТУРБУЛЕНТНОГО СЛЕДА ЗА ЦИЛИНДРОМ,
ПОКРЫТЫМ ВЯЗКОУПРУГОЙ ПЛЕНКОЙ
Проведены исследования микроструктуры турбулентного следа,
формирующегося при обтекании колеблющегося цилиндра, и его
взаимодействия с параметрами колебаний цилиндра.
Результаты изучения механизма взаимодействия ветрового
потока с колеблющимся цилиндром в сочетании с данными, полу-
ченными другими авторами, позволят воссоздать единую картину
течения и объяснить возникновение, развитие и затухание ко-
лебаний цилиндрических тел в ветровом потоке.
170
Рис. 76. Схема, экспериментальной
установки и блок-схема измеритель-
ной аппаратуры:
1 — экспериментальный участок трубы;
2 — вентилятор; 3 — хонейкомб;
4 — конфузор; 5 — термометры;
6 — датчик вибраций; 7 — шлейфовый
осциллограф Н-700;
8 —место отбора давления; 9 — микро-
манометр наклонный;
10 — датчик скорости;
11 — мост ЭТАМ-ЗА; 12 — усилитель;
13 — амперметр; 14 — мост ЭМП;
15 — вольтметр; 16 — анализатор;
17 — электронный осциллограф
Исследования проводили иа аэродинамическом стенде не-
замкнутого типа прямоугольного сечения 300 X 2500 мм2, длиной
10 м (рис. 76). Воздушный поток в канале создавали вентилятором,
установленным на выходе из канала.
Скорость потока менялась от 0,5 до 30 м/с.
Для визуального исследования и киносъемки боковые стенки
в рабочей части аэродинамической трубы были изготовлены из
оргстекла.
Экспериментальные образцы цилиндров монтировали в центре
рабочего участка на специальных подвесках, позволяющих менять
частоту собственных колебаний цилиндра. Измерение амплитуды
и частоты колебаний цилиндров проводили реостатными датчи-
ками, укрепленными на растяжках цилиндров, а показания
записывали шлейфным осциллографом Н-700.
Изменение статического давления по длине канала фиксирова-
лось U-образпым наклонным микроманометром.
Исследование турбулентного следа за цилиндром проводили
электротермоанемоментром и анализатором спектров С—5—3.
Блок-схема измерительной аппаратуры показана на рис. 76.
Датчик анемометра находится на некотором удалении от цилиндра,
где, по имеющимся данным, наблюдаются очень сильные пери-
одические возмущения.
Как известно, при обтекании цилиндра стационарным потоком
в его кормовой части возникает циркуляционная скорость, что
сопровождается образованием так называемой «дорожки Кар-
мана». В результате верхняя и нижняя образующие цилиндра
оказываются под воздействием периодической силы, возбужда-
ющей колебания его в плоскости, нормальной к направлению
потока. По мере приближения частоты срыва вихрей к частоте
собственных колебаний амплитуда колебаний цилиндра возра-
стает. При совпадении частоты срыва вихрей с частотой собствен-
ных колебаний, т. е. в момент резонанса, амплитуда колебаний
цилиндра максимальная.
171
Рис. 77. Зависимость частоты колебаний
цилиндра от числа Re:
С’ — цилиндр без покрытия; х — цилиндр, по-
крытый пленкой раствора полпокса
Основной характеристикой механизма обтекания цилиндра
является число Струхаля, определяемое как Sh = fU v, где v —
скорость потока, / — частота колебаний, I — характерный линей-
ный размер.
Между критериями Струхаля и Рейнольдса существует зави-
симость. Так, если в качестве линейного размера взять диаметр
цилиндра, то число Струхаля остается постоянным, равным по
работам многих авторов 0,2.
Для случая осесимметричных тел обычно в качестве линейного
размера используют диаметр тела, что не всегда верно хотя бы
уже по самому определению критерия Струхаля как характери-
стики вихреобразования.
В некоторых случаях (например, нормальное обтекание ци-
линдров и шаров) указанный подход приемлем, так как точка
срыва вихрей с таких тел лежит на образующей с центральным
углом 80—90°, т. е. расстояние между точками срыва приблизи-
тельно равно диаметру цилиндра. Но иногда точки срыва даже
для цилиндров и шаров могут существенно смещаться по потоку,
и тогда использование диаметра как линейного размера числа Sh
не имеет смысла.
Поэтому особый интерес представляет исследование законо-
мерности изменения числа Sh, определенного по диаметру следа,
в зависимости от критерия Re.
Зависимость частоты колебаний цилиндра диаметром 0,049 м
при изменении скорости набегающего потока от 5 до 25 м/с при-
ведена на рис. 77. Результаты получены в условиях резонанса
частоты собственных колебаний цилиндра и частоты срыва «вихрей
Кармана». Такая методика проведения опытов была выбрана
для получения стабильных колебаний цилиндра и удобства их
записи осциллографом.
На этом же рисунке приведены результаты измерения частоты
колебаний цилиндра, поверхность которого была покрыта раство-
ром поверхностно-активного вещества — полиокса. Согласно
172
Рис. 78. Зависимость числа Стру-
халя от скорости потока:
О — цилиндр без покрытия, в качестве
линейного размера взят диаметр цилиндра;
X — цилиндр, покрытый пленкой раствора
полиокса, в качестве линейного размера
взят диаметр цилиндра; а — цилиндр,
покрытый пленкой, в качестве линей-
ного размера взят размер вихрей в следе
исследованиям А. В. Лыкова, добавление поверхностно-активных
веществ в жидкость, обтекающую цилиндр, значительно смещает
точку отрыва вниз по потоку [31].
Как видно из рисунка, частота колебаний цилиндра, покры-
того раствором полиокса, несколько выше частоты колебаний
цилиндра без покрытия.
Подсчитанное по диаметру цилиндра число Sh для цилиндра
с покрытием также отлично от критерия Sh для цилиндра без
покрытия. Это отличие дает основание считать, что в механизме
срыва произошли изменения и линейный размер в числе Sh,
взятый в форме диаметра трубы, не отражает этого изменения.
В таких условиях представляет интерес исследование закономер-
ности изменения числа Sh, подсчитанного по масштабу «вихрей
Кармана» или диаметра следа.
В общем случае диаметр вихрей дорожки — понятие несколько
условное. В современной аэродинамике диаметр следа определяют
из условия, что на границе следа дефицит осредненной скорости
равен 0,01, т. е. — у/у, = 0,01. где у,.,. — осредненная ско-
рость в бесконечности, и — скорость в точке.
Размер вихрей в следе можно определить по формуле Тейлора
для масштаба инерционных вихрей L = 2n.nl и, где L — масштаб
турбулентных возмущений, п — частота вихрей.
Определив частоту срыва вихрей за цилиндром и подсчитав
масштаб их, можно вычислить число Струхаля по размеру вихрей
следа:
с,. nL 2 л п2
Частоту срыва вихрей за цилиндром определяли по резуль-
татам спектрального анализа пульсации продольной составля-
ющей скорости в следе.
Сопоставление записей амплитуды и частоты колебаний ци-
линдра со спектрами пульсации скорости показало, что частоты
колебаний трубы и вихрей в следе удовлетворительно совпадают.
Результаты экспериментов представлены в виде зависимости
числа Струхаля, вычисленного как по диаметру цилиндра, так
и по размеру вихрей в следе, от числа Рейнольдса, вычисленного
по диаметру цилиндра (рис. 78).
173
показано, что в исследуемом диапазоне чисел Re для трубы
без покрытия характерные для периодической структуры мас-
штабы вихрей, определяемые по максимуму в распределении спек-
тральной плоскости, соответствуют диаметру цилиндра. Числа
Струхаля, подсчитанные по диаметру цилиндра и размеру вихрей,
оказываются одинаковыми и равными 0,2.
Для цилиндра, покрытого раствором полиокса, картина резко
меняется. Числа Sh, подсчитанные по диаметру цилиндра и ча-
сатоте его колебаний, оказываются равными 0,39. Если же обра-
титься к результатам спектрального анализа следа и использо-
вать в качестве линейного размера размер вихрей Кармана, то
оказывается, что число Sh становится равным 0,2. Установленный
эффект можно объяснить, по-видимому, смещением точки отрыва
при обтекании цилиндра, покрытого раствором полимера, вы-
званным значительным уменьшением шероховатости цилиндра
и приобретением его поверхностью упруго-эластичных свойств.
Таким образом, выполненные исследования турбулентного
следа за колеблющимся цилиндром показывают, что под воздей-
ствием колебаний цилиндра в следе возникают некоторые доба-
вочные вихри, на которые накладываются беспорядочные турбу-
лентные движения от общей турбулентности. В этом случае мгно-
венная скорость в следе в некоторый момент времени будет скла-
дываться из турбулентной и некоторой добавочной составляющей.
Считая в первом приближении, что обе составляющие незави-
симы, легко получить автокорреляционную функцию пульсаций
скорости в следе за цилиндром
7\ = [и (/) — v] [v (t + т) — ul = х [Vi (t 4- т) +
+ Vn (t -f- t) — v] = (t) 4- (t),
где v — осредненное значение скорости в данной точке сдеда.
х — аргумент корреляционной функции, R} (т) — корреляцион-
ная функция турбулентных пульсаций общей турбулентности,
вид которой для инерционного интервала хорошо известен,
Rn (т) — корреляционная функция колебаний скорости в следе,
вызванных срывом вихрей с цилиндра.
Известно, что вихреобразование в следе за цилиндром под-
чиняется периодическому закону. В результате корреляционную
функцию Rx пульсаций скорости в следе за колеблющимся цилин-
дром можно представлять в виде
^ = 7?! (т)4-Т?„ (т) = /?1(т)4-
I А2 Г,Т
4—е_,7-т cos пт,
где а — декремент затухания корреляционной функции, А —
амплитуда, п — частота срыва вихрей с цилиндра.
174
Турбулентную составляющую можно выделить, если опре-
делить параметры А и п из экспериментальной кривой /?т, а декре-
мент затухания корреляции колебаний, связанных с вихреобра-
зованием. считать таким же, как и в корреляционных функциях
колебаний цилиндра.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СМАЧИВАЕМОСТИ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ
НА ПЕРЕНОС ИХ НАПОРНЫМ ЦИЛИНДРИЧЕСКИМ
ТУРБУЛЕНТНЫМ ПОТОКОМ
При трубопроводном транспорте жидкостей, содержащих твер-
дые частицы, на гидравлические сопротивления влияют опре-
деленные факторы, в том числе, размер, форма, концентрация
твердых частиц и их смачиваемость.
В лабораторных условиях исследовали влияние на гидравли-
ческие сопротивления твердых взвешенных частиц, обладающих
гидрофильными и гидрофобными свойствами.
Опыты проводили на экспериментальной установке по схеме
разомкнутого кольца. В трубки загружали порошкообразный
твердый материал, состоящий из неоднородных по размерам
зерен, в таком количестве, чтобы объемная концентрация в воде
не превышала 1 % .
Опыты вели на одном и том же песке. Для придания гидро-
фобных свойств его покрывали тонким слоем бакелитового лака.
Величина коэффициента гидравлического сопротивления опре-
делялась по формуле
л 2g dh
Опыты с гидрофобным песком проводили при турбулентном
режиме течения водопесочной смеси. Значение критерия Рей-
нольдса изменялось от 2430 до 8860. Гидравлические сопротивле-
ния при движении гидрофильной водопесчаной смеси определяли
при Be = 2670—20 720. Графически результаты экспериментов
представлены на рис. 79 в виде зависимости 7. = / (Re), где Re =
1 / “ Q п -Н
= vCMd/v, — скорость водопесчанои смеси, vсм --- ———»
г
d — диаметр трубки, v — кинематическая вязкость воды, Qr, —
объемный расход твердого материала, Q.K — расход жидкости.
Из рисунка видно, что потери напора при движении гидрофобной
водопесчаной смеси выше, чем при движении гидрофильной смеси.
Это можно объяснить характером обтекания водой несмачиваемых
зерен песка. Так как покрытие поверхностей взвешенных зерен
песка бакелитовым лаком улучшает обтекаемость их потоком
жидкости и уменьшает коэффициент трения, то увеличение гидра-
влического сопротивления течению гидрофобных смесей связано
с эффектом скольжения жидкости по поверхности зерен.
175
rue. зависимость коэффициента
гидравлических сопротивлений от кри-
терия Рейнольдса:
1 — гидрофобный песок; 2 — гцдрофпль’
нып песок
(на осп ордпиат - /.-Id2)
Несколько меньшее влияние фактора трения в случае движе-
ния гидрофильного песка, вероятно, объясняется лучшим при-
леганием жидкости к поверхности зерен транспортируемого мате-
риала и меньшей мощностью вихревой системы.
Проведенные исследования показали, что коэффициент гидра-
влического сопротивления взвешенных твердых частиц течению
жидкости является не только функцией коэффициента трения
(учитывающего форму и размеры зерен) и критерия Рейнольдса,
как это принято в существующей в настоящее время теории гидро-
транспорта смесей, но и функцией смачиваемости поверхности
взвешенных твердых зерен.
ВЛИЯНИЕ ПОЛИМЕРОВ
НА ПАРАМЕТРЫ ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА
Эксперименты по изучению влияния добавок полимеров на
снижение гидравлических потерь диска, вращающегося в кожухе
с раствором полимера, показали значительное уменьшение крутя-
щего момента по сравнению с опытами на воде [44]. Эти экспери-
менты стали предпосылкой для изучения влияния полимерных
добавок на характеристики центробежных насосов.
В. А. Авнаповым и П. К. Норкиным были получены резуль-
таты, свидетельствующие об улучшении характеристик насоса
при добавлении полиакриламида к воде. При этом к. п. д. насоса
возрастает примерно на 10%, снижается потребляемая мощность,
кривая Н — Q поднимается. Эти результаты получены для одной
концентрации раствора, хотя известно, что при течении растворов
полимеров в трубах происходит улучшение характеристики дви-
жения с ростом их концентрации до определенного значения.
Дальнейшее увеличение концентрации не ведет к повышению
эффекта, т. е. происходит как бы «насыщение» [19]. С увеличением
вязкости перекачиваемой жидкости характеристики центробеж-
ного насоса ухудшаются.
В работе [25] было выявлено влияние концентрации раствора
полимера на характеристику центробежного насоса. Испытания
центробежного насоса 1,5К-6 проводили в соответствии с «Ин-
струкцией по заводским испытаниям центробежных насо-
сов» ЦИНТИхимнефтемаша. Система измерений обеспечивала
точность определения расхода — 0,7%, давления— 1,8%, по-
требляемой мощности — 0,5%. Средняя квадратичная погреш-
176
Рис. 80. Характеристика насоса ЭЦН5-80:
1, 3 — (Н — Q) и к. п. д. для воды;
2, 4 — тс же зависимости для воды с до-
бавкой 0,03%-ного раствора ПАА
Рис. 81. Характеристика работы насоса ЭЦН5-80 при копиентрации
ПАА, %.-
1 — 0,03; 2 — 0,05; 3 — 0,1
ность в определении к. п. д. насосной установки (насос с приводом
от электродвигателя) составляла примерно 2,3% максимального
значения к. п. д.
Все эксперименты были проведены на растворах аммиачного
пегидролизованного полиакриламида. Растворы необходимой кон-
центрации приготавливали перед испытанием из 1%-ного раствора
ПАА. В предварительных экспериментах было отмечено, что
при длительной работе растворы ПАА деградируют, это про-
является в снижении эффекта Томса во времени. Для устранения
ошибок в ходе экспериментов растворы перекачивали насосом
не более 3—4 раз. Кроме этого, отсутствие деградации контроли-
ровали измерениями вязкости отобранных проб раствора ПАА
на вискозиметре ВПЖ-1. Для каждой концентрации раствора
рабочие характеристики насоса определяли в начале и в конце
экспериментов. Разницу в характеристиках не наблюдали.
Были проведены испытания полимерных растворов концентра-
ций 0,005, 0,01, 0,03, 0,05, 0,1%. Вязкость этих растворов (рас-
творы готовили на водопроводной воде) при 20° С составляла
соответственно 1,22, 1,46, 2,03, 2,54, 3,24 сП. Результаты одного
из испытаний приведены на рис. 80.
Опыты проводили с центробежными насосами различной произ-
водительности. Они показали, что улучшение всех параметров
насосов происходит с ростом концентрации ПАА до 0,03%. При
концентрациях 0,03%—0,05% в рабочей части характеристики
получается выигрыш в давлении примерно на 7% (при Q = const),
в расходе (при Н = const) примерно на 15% по сравнению с водой,
к. п. д. возрос с 32 до 37%. Наблюдаются также рост напора
и снижение потребляемой мощности на режиме нулевого расхода.
Это происходит из-за снижения потерь на дисковое трение.
177
Зависимость относительного увеличения к. и. д. в рабочей
части характеристики от концентрации раствора (рис. 81) пока-
зывает, что оптимальной для центробежного насоса является
концентрация ПАА 0,03—0,05%. При дальнейшем увеличении
концентрации из-за так называемого «насыщения» и увеличения
вязкости происходит уменьшение эффекта.
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ЭВОЛЮЦИОННОГО ПЛАНИРОВАНИЯ
ДЛЯ ВЫБОРА ОПТИМАЛЬНОГО РЕЖИМА РАБОТЫ
ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА
Определение оптимального режима работы центробежного
насоса при оптимальной величине добавки полимеров в нефть
относится к задачам оптимизации. Для решения этой задачи
ставят эксперимент, т. е. определяют совокупность действий,
к которым приходится обращаться, чтобы сформулировать инте-
ресующие нас вопросы; такой эксперимент называется экстре-
мальным. Это название связано с глубокой аналогией между
решением задачи оптимизации и поиском экстремума некоторой
функции [41].
Планирование экстремального эксперимента — это метод
выбора количества и условий проведения опытов, минимально
необходимых для отыскания оптимальных условий, т. е. для реше-
ния поставленной задачи.
При этом необходимы следующие условия:
1) стремление к минимизации общего числа опытов;
2) одновременное варьирование всеми переменными, определя-
ющими процесс по специальным правилам — алгоритмам;
3) использование математического аппарата, формализу-
ющего многие действия экспериментатора;
4) выбор четкой стратегии, позволяющей принимать обосно-
ванное решение после каждой серии экспериментов.
Из многих возможных путей поиска оптимальных условии
осуществления какого-либо процесса одним из простейших яв-
ляется метод эволюционного планирования, при котором исполь-
зуют информацию, получаемую во время процесса.
Задача оптимизации работы центробежного насоса заклю-
чается в подборе такого рационального сочетания подачи насоса Q
и концентрации добавок в нефти, который отвечал бы максималь-
ному значению к. п. д. насоса.
Эта задача на языке, принятом в математической теории экспе-
римента, формулируется так: как варьируя, например, перемен-
ными (факторами) подачей (Q) и концентрацией (с), найти наи-
большее значение функции ц = / (Q, с), аналитический вид кото-
рой заранее неизвестен. В дальнейшем изложении пространство,
по осям которого откладываются значения варьируемых факторов,
будем называть факторным пространством, а график функции
р = / (Q, с) поверхностью отклика.
178
ТАБЛ И Ц А Л2
ТАБЛИЦА — ПРОТОКОЛ
Регулируемые параметры Параметр оптимизации — к. п. д. центробежного насоса
Номер опыта подача насоса, л/с концентрация добавки полиизо- бутилена, вес. % номер цикла средний 12 3 номер цикла средний 123
1 2 3 4 э
Фактором, характеризующим процесс оптимизации, является
коэффициент полезного действия ц. Выбор регулируемых пара-
метров следует производить после того, как установлено влияние
их на параметр оптимизации, т. е. после получения результатов
дисперсионного анализа.
Исследование проводят в последовательности:
1) выбирают основной уровень и интервал варьирования каж-
дого из регулируемых параметров, обычно принимают значения
их, соответствующие режиму работы центробежного насоса до
проведения исследования — Qo, с0. Шаг варьирования выбирается
минимальный, исходя из технологических возможностей уста-
новки — AQ, Ас.
Определяют значения регулируемых параметров на верхнем
(Q+i, с+1) и на нижнем уровнях (Q_15 c_J по формулам
<?+1 = <2о + А<2, <2_1=(?O-AQ,
с+1 = софАс, с_1 = с0—Ас;
2) составляют таблицу — протокол первой фазы планирования
экспериментов (табл. 32);
3) проводят за один цикл в случайном или в некотором за-
данном порядке все 5 опытов.
Первый опыт соответствует режиму при значениях регулиру-
емых параметров, равных Qo, с0; результаты наблюдений зано-
сятся в первую строку табл. 32.
Второй опыт соответствует режиму при значениях регулиру-
емых параметров, равных Q_lt с_1; результаты наблюдений за-
носятся во вторую строку табл. 32.
Третий опыт соответствует режиму при значениях регулиру-
емых параметров, равных Q+1, с_г; результаты наблюдений за-
носятся в третью строку табл. 32.
179
Рис. 82. Схема цикла полного фак
торного эксперимента
Четвертый опыт соответствует режиму при значениях регули-
руемых параметров, равных Q+1, с+1; результаты наблюдений
заносятся в четвертую строку табл. 32.
Пятый опыт соответствует режиму при значениях регулиру-
емых параметров, равных Q+(, с+1; результаты наблюдений за-
носятся в пятую строку табл. 32.
Опыты воспроизводят по возможности в одинаковых условиях
несколько раз (циклов) и затем берут среднее арифметическое всех
результатов, которое равно сумме всех отдельных результатов,
деленной на количество циклов:
<7
2 ПЛ
j=l
где i — номер опыта; ] — номер повторного опыта; ц — среднее
значение к. п. д. центробежного насоса в i-м опыте; т]/7 — значе-
ние к. п. д. центробежного насоса i-ro опыта, /-го цикла.
Таким образом, реализуются три цикла полного факторного
эксперимента типа 22 с дополнительной центральной точкой Qo,
с0, геометрическое изображение которого представлено на рис. 82.
После завершения всех циклов первой фазы планирования
экспериментов приступают к статистической обработке результа-
тов наблюдений.
Вычисляют дисперсии воспроизводимости (ошибок) Для каж-
дого опыта:
ч
У Ощ-щ)2
С2 /=1
где Si — дисперсия ошибки i-ro опыта.
Производят проверку однородности дисперсии воспроизводи-
мости с помощью критерия Фишера (F). Для этого из вычисленных
180
всех дисперсий ошибок выделяют наибольшую и наименьшую.
По F-критерию проводят проверку:
<?2
р max
Рассчитанное значение Fp при степенях свободы /х = /2 =
= q — 1 и уровне значимости а сравнивается с табличным зна-
чением Ет критерия. Если Fp <^Fr, то принимают гипотезу об
однородности дисперсий. В противном случае, из-за неоднород-
ности дисперсий воспроизводимости, следует или увеличить число
повторных опытов, или изменить интервалы варьирования регу-
лируемых параметров в первой фазе планирования экспериментов.
Вычисляют среднее квадратичное отклонение параметра оп-
тимизации по формуле
где N — число опытов по матрице планирования; N = 5.
Далее рассчитывают эффекты от изменения регулируемых
параметров:
эффект изменения подачи насоса
^х = у (Лз + Ла — Лз — Л 4)!
эффект изменения концентрации добавки к нефти
&2 = у(Л4 + Л5-Л2—Лз);
эффект взаимодействия (подача насоса и концентрация доба-
вок)
1
Ь3 = у (Л2 + Ла - Лз - л*);
эффект изменения среднего
АСр =у (Лг + Лз + Л4+ Ла + ^Лх)-
Вычисляют доверительные
Дд =
где ta — табличное значение
значимости а.
При выборе ta критерия [41] необходимо задаться уровнем
значимости а и определить число степеней свободы /.
Число степеней свободы определяется:
интервалы эффектов:
Vn
критерия Стьюдента для уровня
181
ТАБЛИЦА 33
ТАБЛИЦА РАСЧЕТОВ
Эффект Величина эффекта Доверительный интервал для уровня значимости
Q 4i = v2 (Пз + Из — Па — Пл)
С bi = V2 (П4 + lb — Т]2 — Т]3) ± Д6
Q? Ьз = */2 (т)2 + Пэ - Пз ~ Ъ)
Изменение среднего Дер = Vs (Т)2 + Из + Ъ + Ъ — 4П1) ±д
а) для оценки доверительных интервалов эффектов от изме-
нения регулируемых параметров по формуле / = N (к + 1),
где к — количество определяемых эффектов (Q, с, Qc), т. е. к = 3;
б) для оценки доверительного интервала эффекта, изменения
среднего по формуле / — N — 1.
Результаты проведенных исследований заносятся в табл. 33.
На основе проведенных вычислений (табл. 33), т. е. статисти-
ческой обработки результатов наблюдений первой фазы плани-
рования экспериментов, необходимо принять одно из следующих
решений.
1. Начать новую фазу планирования экспериментов с неко-
торой новой центральной точки, выбранной в оптимальном на-
правлении.
2. Изменить интервалы варьирования регулируемых пара-
метров.
3. Заменить один или несколько регулируемых параметров
на новые.
Решения принимают, исходя из сравнения величины эффекта
6, с доверительным интервалом Ай. Если величина эффекта bt
по абсолютному значению превосходит доверительный интервал
Ай, это значит, что изменение к. п. д. центробежного насоса
в экспериментальных точках вызвано варьированием соответ-
ствующего регулируемого параметра.
В этом случае знак величины эффекта служит направлением
движения к оптимуму. Положительная величина й; указывает
на то, что при планировании последующей фазы план эксперимента
^необходимо сместить в сторону увеличения соответствующего
регулируемого параметра. Отрицательная величина bL указы-
вает на противоположное направление.
Если величина эффекта й; по абсолютному значению не превос-
ходит доверительный интервал Ай, это значит, что данный регу-
лируемый параметр не оказывает воздействия на изменение при-
роста к. п. д. центробежного насоса или это воздействие уста-
новить не удалось. В этом случае принимается решение 2 или 3.
182
После принятия решения планируют следующую фазу экспе-
риментов. Так последовательно достигается область оптимального
режима работы центробежного насоса.
Применение метода эволюционного планирования для выбора
оптимального режима работы центробежного насоса при добавке
полиизобутилена рассматривается на примере насоса 4НДВ.
В качестве параметра оптимизации выбран к. п. д. центро-
бежного насоса (ц). Регулируемыми параметрами выбраны подача
насоса (Q, л/с) и концентрация добавки полиизобутилена в нефть
(с, вес. %).
За основной уровень в одной фазе планирования экспериментов
принимали рабочий режим, который устанавливали в самом на-
чале работы центробежного насоса. Значения регулируемых па-
раметров в этом решении соответствовали: Qn = 13 л/с, с =
= 0,01 вес. %. Интервалы варьирования в первой фазе планиро-
вания экспериментов для параметра Q принимали &Q = +2
и для параметра с — Де = +0,01.
Таким образом, матрица планирования первой фазы полного
факторного эксперимента в натуральном масштабе имеет вид:
Номер о пыта Факторы Номер опыта Факторы
Q, л/с С, % Q, л/с С, %
1 18 0,01 4 16 0,02
2 16 ° 5 20 0,02
3 20 0
Для оценки дисперсии воспроизводимости (ошибки) в первой
фазе планирования экспериментов число циклов принимали рав-
ным трем, т. е. q = 3, а результаты наблюдений были сведены
в таблицу — протокол первой фазы планирования эксперимента
(табл. 34).
ТАБЛИЦА 34
ТАБЛИЦА — ПРОТОКОЛ
Номер опыта Регулируемые параметры Параметры оптимизации к, п. д. центробежного насоса
подача насоса, л/с концентра- ция добавки полинзобу- тилена/ вес. % Номер цикла
1 2 3 л
1 18 0,01 42,5 42,5 42,7 42,5
2 16 0 39,5 39,7 39,2 39,5
3 20 0 41,5 41,4 41,5 41,5
4 16 0,02 44,0 44,2 44,1 44,1
5 20 0,02 47,0 47,1 46,9 47,0
183
Дисперсия воспроизводимости каждого опыта сост авляла
У (р/1—pi)2
С2 __ 1=1__________
1 9 — 1
Q
У (р/2— Рг)2
s2 = '
9 — 1
Q
5 (n/з—Рз)2
/=1__________
9~1
Я
У (Р/4— Пл)2
/=1__________
q—i
Ч
У (Р/5 —Рз)2
sl = -i=J----------
э q — l
(42,5-42,5)2 + (42,5—42,5)2+ (42,7 — 42,5)2
(39,5 — 39,5)2 + (39,7 —39,5)2 + (39,2 — 39,5)2
5| =
(41,5—41,5)2+ (41,4—41,5)2 +(41,5—41,5)2
51 =
(44,0—44,1)2 +(44,2—44,1)2 +.(44,1—44,1)2 _ q q j q
3 — 1 ’
(47,0—47,0)3 + (47,1—47,0)2 + (46,9 —47,0)2 Q
Проверка однородности дисперсий воспроизводимости с по-
мощью критерия Фишера для уровня значимости а = 0,1 при
/х = /2 — Q — 1 = 2 установила, что дисперсии можно считать
однородными, так как Fp <ZFt.
F — S1 — 0,065 13 0
- £2 - 0,005 -
Среднее квадратичное отклонение параметра оптимизации опре-
деляли по формуле
'0,065+0,065 + 0,005 + 0,010 + 0,010 _ q j 75
5
Доверительный интервал эффектов изменения регулируемых
параметров и изменения среднего для уровня значимости а = 0,1
определяли по формуле
Ab = ±t„-^ = ±6,314-^= ±0,47,
У N У5
где у,. = 6,314 при /i =N — (к + 1) = 5 — (3 + 1) = 1
и А= ±^-^= = ±2,132 ^!- = ±0,16,
Vn У5
где ta = 2,132 при fx = N — i = 5 —1=4.
184
ТАБЛИЦА 35
ТАБЛИЦА РАСЧЕТОВ
Эффекты Величина эффекта Доверитель- ный интер- вал для уровня значимости
Q С Qc Изменение среднего Ьг = V, (41,5 + 47,0 — 39,5 — 44,1) = 2,45 Ъ, = 1/; (44,1 + 47,0 — 39,5 — 41,5) = 5,0 Ь~ = V2 (39,5 + 47,0 — 41,5 — 44,1) = 0,45 д = 1/ (39,5 + 41,5 4- 44,1 + 47,0 — 4• 42,5) = 0,43 ±0,47 ±0,47 ±0,47 ±0,16
Эффекты изменения регулируемых параметров и доверитель-
ных интервалов сведены в табл. 35.
Из таблицы видно, что Ьг и Ь2 т. е. изменение
к. и. д. центробежного насоса в первой фазе планирования, вы-
звано варьированием регулируемых параметров Q и с, а эффекты
их взаимодействия (Q, с) оказались незначительными. Далее,
знаки коэффициентов Ьг = 2,45 и Ь2 = 5,0 указывают на то, что
увеличение подачи центробежного насоса и концентрации полиизо-
бутилена в нефти приводит к росту к. п. д.
Вторую фазу планирования экспериментов следует начинать
с новой центральной точки, соответствующей опыту № 5 в первой
фазе, не изменяя интервал варьирования регулируемых параме-
тров, сместив план экспериментов в оптимальном направлении,
матрица второй фазы планирования экспериментов принимает
вид
Номер опыта Факторы Номер опыта Факторы
Q С Q С
1 18 0,01 6 18 0,03
5 20 0,02 7 22 0,03
8 22 0,01
Согласно матрице, во второй фазе исследований были прове-
дены опыты № 6, 7, 8. Результаты наблюдений сведены в табли-
цу — протокол (табл. 36) второй фазы планирования эксперимен-
тов. Геометрическое изображение поверхности отклика предста-
влено на рис. 83.
Результаты вычислений по вышеизложенной методике сведены
в табл. 37.
На основании полученных результатов во второй фазе исследо-
ваний можно сделать следующие выводы.
7 Заказ 522 18а
j. uu, ou. к еометрическое изображе-
ние поверхности отклика
1. На к. п. д. центробежного насоса оказывает влияние лишь
весовая концентрация полиизобутилена в нефти.
2. Эксперименты проводили близко к оптимальным условиям.
3. Эффекты изменения Q незначительны.
ТАБЛИЦА 36
ТАБЛИЦА — ПРОТОКОЛ
Номер опыта Регулируемые пара- метры Параметры оптимизации к. п. д. центробежного насоса
подача насоса, л/с концентра- ция поли- изобутилена в нефти, вес. % Номер цикла
1 2 3
1 20 0,02 47,0 47,4 47,6 47,3
2 18 0,01 42,5 42,0 42,6 42,4
3 22 0,01 42,0 42,5 41,8 42,1
4 18 0,03 46,5 46,1 46,7 46,4
5 22 0,03 47,0 46,8 46,5 46,7
ТАБЛИЦА 37
ТАБЛИЦА РАСЧЕТОВ
Эффект Величина эффекта Доверитель ный интер- вал ДЬ для CL
Q С т Qc Изменение среднего Ьг = 1/2 (42,1 4- 46,7 — 42,4 — 46,4) = 0 b, = V2 (46,4 + 46,7 — 42,4 — 42,1) = 4,3 b'3 = i/2 (42,4 + 46,7 — 46,4 — 42,1) = 0,3 Дер = Vj (42,4 + 42,1 + 46,4 - 46,7 — 47,31 = 21,1 ±0,22 ±0,22 ±0,22 ±0,095
186
4. Исходя из отмеченного, принимается решение, не меняя
подачи центробежного насоса, увеличить весовую концентрацию
полиизобутилена в нефти. Данное решение ввиду значимости
эффекта весовой концентрации ПИБ в нефти имеет цель исследо-
вать в следующей фазе планирования экспериментов близлежа-
щую область оптимальных условий.
Подсчеты второй фазы планирования экспериментов по выше-
приведенной методике позволили отметить, что оптимальным усло-
вием работы центробежного насоса соответствует подача, равная
примерно 21 л/с, а весовая концентрация полиизобутилена
в нефти равна примерно 0,03.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ ДОБАВОК
НА ГАЗОНАСЫЩЕННОСТЬ ПОТОКА
Исследование влияния высокомолекулярных соединений на
газонасыщенность двухфазного потока проводили на эксперимен-
тальной установке (см. рис. 73), позволяющей проводить иссле-
дования в широком диапазоне изменения параметров при движе-
нии смеси в подъемных трубах и в кольцевом пространстве. Для
достижения лучшего смешения фаз и стабильной структуры смеси
установка оборудована специальной камерой. Жидкость в камеру
подавали насосом через уровнедержательную систему, а воздух —
через пористый камень — распылитель.
Для определения газонасыщенности установка оборудована
двумя пробковыми отсекателями со специальными синхронно
действующими приводами. Для исследования влияния концент-
рации полимеров на пульсацию потока установка снабжена спе-
циально разработанным прибором, состоящим из безынерционного
датчика давления, быстродействующего самопишущего прибора
П326-1 и осциллографа. Во время эксперимента были созданы
условия, отвечающие в основном эмульсионному, а в отдельных
опытах — стержневому режимам движения. Водовоздушный по-
ток в указанных режимах характеризовался значительной пульса-
цией скорости и давления и протекал в турбулентной области
движения: значения критерия Рейнольдса (Re) изменялись в пре-
делах 1000—10 000. При вычислении Re среднюю скорость по-
тока определяли на основании расхода воздуха и воды; раствори-
мостью воздуха в воде пренебрегали. Результаты опытов были ис-
пользованы для получения и исследования зависимости истинной
газонасыщенности (<р) от критерия Фруда смеси (FrCM).
Аналогичные опыты были проведены и после обработки воды
полимерными добавками ВО—160—45/55 и КМЦ в количестве
0,5 и 1%.
На установке соблюдалось постоянство погружения трубки
в жидкость. Подъем жидкости осуществлялся энергией сжатого
воздуха. В опытах применялись различные режимы движения
газожидкостной смеси. Результаты исследований были обработаны
и представлены в виде зависимостей расхода жидкостей от Re,
7*
187
84
85
Рис. 84. Зависимость производитель-
ности установки от критерия Рей-
нольдса для различных концентраций
КМЦ в воде, %:
2 — 0; 2 — 0,3
Рис. 85. Зависимость производитель-
ности установки от критерия Рей-
нольдса и концентрации полиизобу-
тилеиа в нефти, %:
1 — 0: 2 — 0,3
Рис. 86. Зависимость оптимальной
производительности (1) и удельного
расхода рабочего агента (2) от кон-
центрации ВО-160 в жидкости
объема сжатого воздуха и концентрации (с) (рис. 84—86). Согласно
представленным результатам, применение раствора КМЦ в воде
(от 0,1 до 0,5% от объема жидкости) приводит к повышению про-
изводительности лифта соответственно на 8 и 17,8%, а добавка
0,1—0,3% полиизобутилена к нефти соответственно на 4,6 и
18,5%.
Следует отметить, что при всех опытах добавка высокомолеку-
лярных соединений приводила к уменьшению пульсаций давле-
ния и скорости смеси в системе.
Было установлено, что с приобретением неньютоновских
свойств и изменением реологических констант системы жидкость —
полимер изменяется режим движения смеси. Для уточнения взаи-
188
Рис. 87. Зависимость скорости
всплывания пузырьков воздуха
от параметра П (раствор
КМЦ в воде):
Д — с = 0,5%; о - с = 1%; X —
с = 1,5%
Рис. 88. Влияние полимерных добавок на газонасыщенностъ и платность
газожидкостной смеси при концентрации, %:
1 — 1; 2 — 0,5
мосвязи между структурно-механическими параметрами и пове-
дением смеси серию экспериментов проводили при неподвижном
столбе жидкости, в том числе обработанной полимерами.
Было установлено, что скорость всплывания газовых пузырь-
ков в жидкости зависит от степени неньютоновского поведения
системы вода — полимер: вода с добавлением в нее полимерных
соединений, как известно, приобретает структурно-механические
свойства, и система характеризуется предельным напряжением
сдвига и структурной вязкостью.
Примем основными параметрами, влияющими на относитель-
ную скорость всплывания газовых пузырьков в жидкости, обра-
ботанной высокомолекулярными соединениями, диаметр пузырь-
ков, разность плотностей, предельное напряжение сдвига, струк-
турную вязкость смеси и вязкость жидкости:
У = -у- = /(^ р, g, а, т0, тр ц),
где vH и v — скорости всплывания газовых пузырьков в ненью-
тоновской среде и вязкой жидкости.
Преобразуя приведенную зависимость по теореме Букингама,
получим:
Б=/(Пх, По, Пз),
П1 = о/уйа, П2 = т0/Дуй, П3 = т]/р.
Построена (рис. 87) и исследована зависимость отношения
скоростей всплывания газовых пузырьков в среде жидкость -}-
4- полимер и жидкость от критериев П. Корреляционный анализ
полученной зависимости указывает на значительное влияние
структурно-механических свойств среды на скорость движения
газовых пузырьков в ней (коэффициент корреляции 0,934).
189
ТАБЛИЦА 38
ЗАВИСИМОСТЬ ИСТИННОЙ ГАЗОНАСЫЩЕННОСТИ ОТ КРИТЕРИЯ ФРУДА
Концентра- ция полиме- ра, % Истинная газонасыщенность при FrCM
0,1 0.2 0,3 0,4
0,0 0,165 0,205 0,235 0,267
0,5 0,180 0,230 0,268 0,298
1,0 0,190 0,243 0,283 0,317
Определяли зависимости газонасыщенности смеси (<р) газо-
жидкостного потока от критерия Фруда (FrCM) <р = <р (FrCM).
Установлено, что с увеличением FrCM истинная газонасыщенность
исходной смеси увеличивается. Наличие в системе полимерных
добавок при одних и тех же значениях Frc4 приводит к увеличе-
нию истинной газонасыщенности потока. Значения газонасыщен-
ности и критерия Фруда определяли на основании данных по га-
зосодержанию, относительной скорости газовой фазы и приведен-
ным скоростям жидкости. С ростом значений FrCM влияние полимер-
ных добавок на истинную газонасыщенность увеличивается
(табл. 38).
Увеличение концентрации полимерных добавок в жидкости
также приводит к повышению истинной газонасыщенности.
Следует отметить, что увеличение истинной газонасыщенности
потока при его обработке полимерными добавками имело место
при значениях расходного газосодержания 0,3—0,4, что харак-
терно для компрессорного способа добычи нефти.
Опыты показали, что увеличение газонасыщенности, наряду
с увеличением квазигомогенности потока, приводит к уменьше-
нию плотности смеси. На рис. 88 приведена зависимость отноше-
ний плотностей (у) от отношений величины газонасыщенностей (ф)
до и после обработки жидкой фазы полимерными добавками.
ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ ДОБАВОК
В КОМПРЕССОРНЫХ СКВАЖИНАХ
Компрессорные скважины, эксплуатирующие залежи, которые
находятся на поздней стадии разработки, характеризуются, как
известно, неравномерностью подачи, пульсацией потока смеси,
значительным расходом рабочего агента на 1 т добываемой жидко-
сти. Неравномерная работа свойственна также и недавно вступи-
вшим в эксплуатацию компрессорным скважинам, в продукции
которых содержатся парафин и асфальтосмолистые компоненты.
Нормальная работа таких скважин может быть восстановлена,
как об этом свидетельствуют полученные в лабораторных условиях
данные, при применении слабых растворов высокомолекулярных
соединений (ВМС). Применение их в компрессорных скважинах
190
вок на работу компрессорной сква-
жины:
1,4 — с полимером; 2, з — без полимера
сопровождается, согласно проведенным исследованиям, увеличе-
нием их производительности, уменьшением расхода сжатого рабо-
чего агента и предотвращением отложения парафина и солей
в трубах. В НГДУ объединения Азнефть были проведены опытные
работы по закачке растворов высокомолекулярных соединений
в компрессорные скважины. Для ввода растворов в струю сжатого
рабочего агента были выбраны компрессорные скважины в НГДУ
Карадагнефть, Орджоникидзенефть, им. Серебровского и Артем-
нефть. Добавками служили 41%-ные водные растворы КМЦ,
ВО-160 и 17%-ный раствор полиизобутилена в углеводородной
жидкости. Концентрация закачанных в скважины полимеров со-
ставляла: КМЦ — 0,15%, ВО-160 — 0,1% и полиизобутилен —
0,1%.
Компрессорные скважины предварительно были исследованы
при работе на нескольких режимах. По скв. 1616 в одном из
режимов был проведен поинтервальный замер давления.
Растворы в одни скважины закачивали дозаторным насосом
НД2-70, а в другие при помощи применяемой на промыслах уста-
новки для ввода метанола. Результаты закачки представлены
на рис. 89 в виде характерных кривых Q = Q (v0). Применение
высокомолекулярных соединений в компрессорных скважинах
НГДУ Орджоникидзенефть (объединение Азнефть) привело к уве-
личению до 17% производительности (по жидкости) в оптимальном
режиме при уменьшении расхода сжатого рабочего агента до 18%.
Следует отметить, что при добавлении полимера оптимальный
режим работы достигается при меньшем расходе агента. Поин-
тервальный' замер выявил уменьшение давления по стволу при
закачке полимерных добавок, что объясняется увеличением квази-
гомогенностп смеси. По данным поинтервальных замеров давле-
ния была определена газонасыщенность смеси.
В ряде компрессорных скважин для предотвращения образова-
ния эмульсии в колонне подъемных труб закачивают деэмульга-
тор. Для установления целесообразности применения полимерных
добавок в подобных скважинах проводили опыты при совместной
закачке полимера и деэмульгатора. Выбранные скважины были
оборудованы дополнительными дозаторными насосами для за-
качки растворов полимера. До начала закачки полимера работу
191
каждой скважины исследовали на 3—4 режимах по методу
АзНИИДН и строили зависимость Q = Q (у0). После этого зака-
чивали полимер ВО-160 концентрации 0,05%.
В процессе закачки полимера совместно с деэмульгатором ис-
следование скважины на тех же режимах повторяли. Результаты
исследования работы таких скважин до и во время закачки по-
лимера показали, что и в этом случае увеличивается их произво-
дительность при одновременном уменьшении расхода рабочего
агента, правда, несколько меньше, чем в первом случае.
В другой группе скважин, имеющих примерно одинаковые
условия эксплуатации с предыдущей группой скважин, полимер
закачивали после прекращения подачи деэмульгатора.
Исследование полученных зависимостей также выявило зна-
чительное увеличение производительности компрессорных сква-
жин при данном расходе рабочего агента и снижение удельного
расхода последнего при оптимальном режиме.
Из рассмотренных результатов исследований по всем скважи-
нам следует, что применение добавок высокомолекулярных соеди-
нений во всех случаях приводит к увеличению их производитель-
ности и уменьшению удельного расхода рабочего агента. Наиболее
высокий эффект получен в скважинах, работающих без подачи
деэмульгатора (в среднем увеличение дебита до 30% при сниже-
нии удельного расхода на 22,5%), а наименьший — в случае
применения добавок совместно с подачей деэмульгатора (увеличе-
ние дебита и уменьшение удельного расхода составляет 16,2%).
Исследование и уточнение эффективности применения поли-
мерных добавок проводили в газлифтных скважинах НГДУ Кара-
дагнефть, эксплуатирующих VII горизонт площади Кушханы.
Выбранные скважины характеризуются относительно большим
удельным расходом рабочего агента — природного газа — с боль-
шим дебитом нефти и небольшой обводненностью продукции
(до 50%).
Режим движения восходящего потока газожидкостной смеси
в выбранных скважинах соответствует турбулентному режиму;
значение критерия Рейнольдса составляет у башмака лифтовых
труб 4410 и доходит до 27 700 на устье.
Полимер ВО-160 закачивали в магистральный газопровод
перед входом в ГРБ дозаторным насосом. Суточную производи-
тельность насоса устанавливали в соответствии с количеством
воды, добываемой всеми скважинами. Раствор полимера по сква-
жинам распределяли пропорционально удельному расходу рабо-
чего агента. Влияние закачки полимера исследовали при неизмен-
ном режиме работы скважины.
Расход раствора полимера на одну скважину составлял 0,8—
1% в зависимости от удельного расхода сжатого рабочего агента
и обводненности продукции скважин.
Для установления эффективности применения полимерных
добавок данные о производительности и расходе сжатого рабочего
192
2 4 S S to t2 !4 ts '8 cym
Puc. 90. Влияние применения полимера на
удельный расход газа в НГДУ Карадаг-
нефть
Рис. 91. Изменение солености (1) и плотности воды (2) во времени
агента за 10 суток закачки полимера и за 10 суток до закачки
были обработаны методами математической статистики и пред-
ставлены на рис. 90.
Как видно из рис. 90, закачка полимера ВО-160 приводит
к уменьшению среднего значения удельного расхода рабочего
агента с 345 до 280 м3/м3, т. е. на 20%.
Выравниванием замеренных дебитов до и после закачки поли-
мера по нормальному распределению Гаусса установлено увели-
чение дебитов на 10%. При постоянном расходе рабочего агента
уменьшается газонасыщенность, что говорит о значительном влия-
нии добавок высокомолекулярных соединений на скорость всплы-
вания газовых пузырьков, так как объем жидкости при примене-
нии высокомолекулярных соединений в рассматриваемых случаях
выше, чем без полимера.
Результаты обработок указывают на увеличение при закачке
растворов полимеров газонасыщенности смеси. Значительное уве-
личение газонасыщенности происходит в верхней части лифта.
При взаимодействии полимерных добавок с парафинистыми
соединениями нефти происходят сольватация и образование макро-
молекул с изменением поведения и выпадением парафина в виде
отдельных кристаллов. Их прилипание к поверхности труб пред-
отвращается.
Эффективность борьбы с отложением парафина в лифтовых
трубах исследовали на компрессорных скв. 244 НГДУ им. Сере-
бровского и скв. 176 НГДУ Артемнефть.
Лифтовые трубы в скв. 244, содержащей 17% парафина, под-
вергались интенсивному отложению парафина. Без проведения
профилактических мероприятий работа скважины нарушалась
с самого начала, дебит уменьшался примерно в два раза уже на
четвертый день эксплуатации. Для восстановления работы сква-
жины через каждые четверо суток нагнетали пар. В линию рабо-
чего агента в течение 13 суток подавали раствор полиизобутилена
в нефти (0,06—0,13% от дебита). За время закачки раствора дебит
193
скважин не уменьшался. После прекращения закачки раствора
дебит скважины в первый день значительно уменьшился (на 20%).
Нормальная работа скв. 176 НГДУ Артемнефть часто осложня-
лась отложениями парафина в насосно-компрессорных трубах.
Через каждые семь суток работы в скважину нагнетали пар. В за-
трубное пространство в течение 23 суток подавали 17%-ный рас-
твор полиизобутилена в количестве 0,1% от дебита. За время ис-
пытания уменьшения дебита скважины и отложения парафина
в трубах не происходило.
Промысловые испытания полимера ВО-160, как реагента
против солеотложения в лифтовых трубах, были проведены в
скв. 1527 НГДУ Орджоникидзенефть. Трубы этой скважины, 80%
продукции которой составляет пластовая вода щелочного типа
с соленостью по Боме 1,8, периодически забивались соедине-
ниями солей. Скважину исследовали и оборудовала для закачки
полимера ВО-160. В период закачки осложнений и нарушений
режима работы скважины не наблюдалось. В первые дни закачки
были отобраны и исследованы пробы воды. Согласно результатам
исследований (рис. 91), соленость В° и плотность у воды при
закачке полимера больше, чем до закачки, что свидетельствует
о более полном выносе солей из лифтовых труб.
Опытно-промышленное испытание высокомолекулярных по-
лимерных соединений провели в 30 скважинах НГДУ объединения
Азнефть и Каспморнефть. Результаты подтверждают высокую
эффективность применения полимерных добавок в компрессорных
скважинах.
Для установления области эффективного применения поли-
мерных добавок результаты опытов были обработаны с исполь-
зованием функции желательности.
ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО ВАРИАНТА
ПРИМЕНЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ РАСТВОРОВ В КОМПРЕССОРНЫХ
СКВАЖИНАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФУНКЦИИ ЖЕЛАТЕЛЬНОСТИ 1
Исследованием влияния полимерных растворов на параметры
газожидкостного потока установлена возможность значительного
(до 18—20%) увеличения к. п. д. подъемного лифта.
Закачка полимерных растворов, в качестве которых были ис-
пользованы водные растворы ВО-160, КМЦ, углеводородные рас-
творы полиизобутилена и GKC-30, в затрубное пространство вы-
бранных скважин подтвердила справедливость лабораторных ис-
следований. Среднее увеличение производительности по жидкости
и уменьшение расхода сжатого рабочего агента в выбранных сква-
жинах после начала закачки полимерного раствора составили
соответственно 18 и 25%. Работа некоторых скважин, где отме-
1 Написан по материалам М. Рустамзаде.
194
чалась пульсации давления и дебита, после закачки раствора стала
равномерной.
Выбор типа и концентрации полимерного раствора предопре-
делялись в основном степенью обводненности продукции скважин.
Концентрация полимера в растворе изменялась от 0,1 до 0,65%
и определялась характером работы скважины. Так, например,
в многодебитных скважинах со значительной пульсацией пара-
метров потока использовались более концентрированные рас-
творы.
Эффективность применения полимерных растворов в выбран-
ных компрессорных скважинах изменялась в широком диапазоне
и зависела в основном от режима движения газожидкостного
потока и параметров подъемного лифта.
Были проведены исследования эффективности применения
полимерных растворов в зависимости от значения критерия Фруда
смеси у башмака лифтовых труб БГсМ, относительного погружения
труб под динамический уровень h!L, концентрации полимера
в растворе (с), газового числа (сумма удельного расхода рабочего
агента и газового фактора).
Эффективность применения раствора рассматривали как уве-
личение дебита скважины по жидкости (Q), к. п. д. подъемника
(ц) и уменьшение расхода сжатого рабочего агента (vQ) (Q = QJQ2,
т) =ц1/т]2, Vo = Уо/г?о), где QY, т) v v0 — дебит, к. п. д., расход
рабочего агента до закачки полимера в оптимальном режиме,
(?2, ц2, v'g — то же, при его закачке.
Для выбора оптимального варианта закачки полимерных рас-
творов использована обобщенная функция желательности, пред-
ложенная Харрингтоном и широко применяемая в последние
годы как критерий оптимизации технологических схем.
Для использования функции желательности в установлении
оптимального варианта применения полимерного раствора в ком-
прессорных скважинах было составлено распределение значений
параметров Q, т|, к0 по степени желательности (табл. 39). Увели-
чение дебита и к. п. д. на 30% и более по шкале желательности
считалось очень хорошим, увеличение на 10% соответствовало
шкале с удовлетворительностью и т. д.
Отметим, что представленное в табл. 40 распределение соста-
влено на основании анализа работы компрессорных скважин
в выбранных НГДУ с установлением экономической целесообраз-
ности применения полимерных растворов. Данные базовых отме-
ток желательности были установлены исходя из соотношения
Y >- Y .
* : 1 П11П’
где Y — показатель степени изменения Q, q , vQ, Ут,п соответ-
ствует нижним пределам шкалы желательности в табл. 40.
Функция желательности для к. п. д. лифта, дебита скважин
и расхода рабочего агента была определена с использованием
195
гльлицл 3 9
ШКАЛА ЖЕЛАТЕЛЬНОСТИ
Желател ьвость показателя Количест- венные отметки на шкале Значения параметра
п Q «0
Очень хорошая 0,80—1,00 30 30 -6
Хорошая 0,63—0,80 15 15 -1
Удовлетворительная 0,37—0,63 10 10 0
Плохая 0,20-0,37 1,5 5 10
Очень плохая 0,00—0,20 0 0
выражения, предложенного для случаев односторонних ограниче-
ний [41]
d = ехр [—ехр (—У')],
где У' — безразмерное значение параметров ц, Q, и0, определя-
емых по двум-трем значениям, а также базовым отметкам в виде
полинома
У' = а0 + ajY + а2У2
или
У' — ад + ахУ.
Основные результаты применения полимерных растворов в 26
компрессорных скважинах, представленные в табл. 40, были
обработаны и установлены функциональные зависимости У' =
= / (У) для приведенных в табл. 40 базовых отметок функции
желательности. Получены уравнения:
а) по увеличению к. п. д.
У'_—1,838!-0Л67У — 0,002У2,
У' = -1,555 + 0,157У —0,002У2,
У'= —0,784 + 0,081У,
та в л и
ЗАВИСИМОСТЬ УВЕЛИЧЕНИЯ Ч П Q И УМЕНЬШЕНИЯ V,
Количественные отметки о желательности Ч при с, %
0,2 0,3 0,65 0,2
0,80—1,00 0,63—0,80 0,37—0,63 0,2—0,37 49,700 21,250 9,00 45,400 20,075 11,600 19,500 3,500 45,000 16,450 7,800
196
Рис. 92. Схема установки для баро-
обработки неньютоновских систем:
1 — контейнер высокого давления; 2 —
термостат; з — манометр; 4 — вакуумная
линия; 5 — исследуемая неньютоновская
жидкость; 6 — поршень; 1 — этиленгли-
коль; 8 — вентиль; 9 — пресс
б) по увеличению дебита жидкости
У' = -2,106 + 0,232У — 0,003У3,
У' = -1,156 + 0,124У-0,001У2,
У' = -0,968 + 0,094У,
в) по уменьшению расхода рабочего агента
У'= —0,281 —0,432У.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВАРООБРАБОТКИ
НА РЕОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
НЕНЬЮТОНОВСКИХ СИСТЕМ
В процессе лабораторных исследований было отмечено, что
если в герметически закрытом сосуде, заполненном вязкоупругой
жидкостью, создать избыточное давление (ри), то со временем оно
падает до некоторого значения (рж), а затем стабилизируется.
Ц А 40
ОТ КОНЦЕНТРАЦИИ ПОЛИМЕРА В 26 СКВАЖИНАХ
"q при с, % «О при с, %
0,3 0,65 0,2 0,3 0,65
33,300 -15
20,100 18,900 —2,500 —3,614 —1,000
10,500 — —0,650 — —0,350
— 5,000 — 0,600 —
197
При этом скорость падения давления и разница между началь-
ным (р0) и конечным (рос) давлениями зависят от условий прове-
дения опыта, а именно от величины начального давления (р,,),
реологических свойств вязкоупругой системы и глубины вакууми-
рования.
Было отмечено также, что если время выдержки первого на-
гружения давления достаточно длительно (10 ч и более) и значи-
тельно превышает время релаксации, то при повторном нагруже-
нии до начального давления (р0) опять наблюдается снижение
давления, но в значительно меньшей степени.
Для изучения отмеченного явления были проведены обширные
исследования с варьированием методик экспериментирования,
а также рабочих жидкостей, представлявших вязкоупругие системы.
Барообработку (всестороннее сжатие давлением) исследуемых
неньютоновских систем проводили на установке (рис. 92), состоя-
щей из контейнера высокого давления 7, в котором избыточное
давление создавали нагнетанием прессом 9 этиленгликоля 7 под
поршень 6. Контейнер термостатировали при температуре 30 ±
± 0,05° С под вакуумом.
Значения избыточного давления в контейнере регистрировали
образцовым манометром 3.
Задачей первого этапа исследований было установить влияние
барообработки на структурно-механические свойства вязкоупру-
гих систем и устойчивость вызванных изменений.
На капиллярном вискозиметре по методике [14] снимали рео-
логические характеристики исследуемых жидкостей до и после
барообработки.
В качестве вязкоупругих систем применяли 0,1- и 0,3%-ные
водные растворы полиакриламида и 1%-ный раствор полиизо-
бутилена (ПИБ) в керосине.
Барообработку 0,1%-ного водного раствора ПАА и 1%-ного
раствора ПИБ в керосине проводили следующим образом: систему
нагружали до заданного давления (р0 = 30 кгс/см2), после чего
контейнер отключали вентилем 8. Наблюдали падение давления
все в более замедленном темпе в течение 13 ч, вызванное разви-
тием упругой деформации объемного вязкого течения, затем стаби-
лизацию его.
После стабилизации давления систему вновь нагружали да-
влением до первоначального значения — 30 кгс/см2 и опять отме-
чали падение его, но уже в значительно меньшей степени, а стаби-
лизация наступала гораздо быстрее (через 3 ч). При очередном
нагружении давлением падения его уже не наблюдали, и система
оставалась равновесной в течение 14 ч.
Для уточнения степени потери упругости системой давление
в контейнере было увеличено до 60 кгс/см2, и в этом случае отме-
чали незначительное падение и достаточно быструю стабилиза-
цию давления, при повторном нагружении до 60 кгс/см2 давление
не менялось в течение 16 ч (рис. 93 и 94).
198
Рис. 93. Барообработка водных рас-
творов ПАА концентрацией %;
1 — 0,1; 2 — 0,3
Рис. 94. Барообработка 1%-ного рас-
твора полиизобутилена в керосине
Рис. 95. Зависимости расхода Q от
падения напора АН, полученные на
капиллярном вискозиметре:
1 — 0,1 %-ный водный раствор ПАА; 2 —
1%-ный раствор ПИБ в керосине; з —
0,3%-ный раствор ПАА до барообработки.
Г, 2', 3' — те же растворы после баро-
обработки
Реологические характеристики Q — &Н (рис. 95) 0,1%-ного
водного раствора ПАА и 1%-ного раствора ПИБ в керосине, сня-
тые на капиллярном вискозиметре до и после барообработки, по-
казали изменение свойств системы в результате барообработки:
если раствор до обработки обладал структурным характером тече-
ния (кривые 1, 2), то после нее было течение, характерное для
ньютоновских жидкостей (кривые Г и 2').
Для установления степени устойчивости преобразования си-
стемы обработанные давлением растворы выдерживали в течение
2—3 сут без нагрузки, после чего вновь снимали их реологические
характеристики.
199
Рис. 96. Схема экспериментальной устаноеки:
1 — газовый баллон; 2 — пресс; 3 — ма- 4 — контейнер; 5 — термостат; 6 — трубка
иометры;
Полученные опытные значения Q и \Н в пределах погрешности
измерения (кривые Г и 2') указывают па отсутствие «памяти»
об исходном состоянии у обработанных давлением систем.
Описанный способ барообработки показал высокую эффектив-
ность в изменении структурно-механических свойств исследован-
ных систем, однако большая продолжительность процесса оказа-
лась существенным недостатком барообработки.
Поэтому барообработка 0,3%-ного водного раствора ПАА была
проведена несколько иным образом (см. рис. 93); повторные на-
гружения проводили не после продолжительной стабилизации
давления, а в периоды относительно малого темпа падения давле-
ния. Однако и в этом случае полная стабилизация давления уста-
навливалась после трех нагружений при р0 = 30 кгс/см2. Отме-
чали незначительное падение давления при последующем нагру-
жении до 60 кгс/см2 и стабилизацию давления при повторном
нагружении до р0 = 60 кгс/см2. Реологические исследования
0,3%-ного водного раствора ПАА на капиллярном вискозиметре
(см. рис. 95 кривые 3 и 5') показали устойчивое преобразование
в ньютоновскую систему.
Результаты исследований установили возможность устойчивого
преобразования неныотоновских систем в ньютоновские обработ-
кой их давлением. Причем эффективным фактором процесса
барообработки оказалась не продолжительность процесса обра-
ботки, а цикличность нагружения системы давлением.
На следующем этапе исследований ставилась задача изучения
влияния барообработки на гидродинамические характеристики
вязкоупругих систем, которыми служили нефть с высоким содер-
жанием асфальтосмолистых веществ (34%), 1%-ный раствор
ПИБ в трансформаторном масле и смесь: 72% трансформаторного
200
масла, 27% вакуумного масла и 1%-ный раствор ПИБ в транс-
форматорном масле.
Опыты проводили на установке (рис. 96), состоящей из контей-
нера высокого давления вместимостью 10 л 4, пресса 2, трубки 6
диаметром 0,4 см с предусмотренными входными участками, рав-
ными 40 d и рабочей длиной 3,9 м, газового баллона 1 для осуще-
ствления напорного течения. Расход Q измеряли взвешиванием,
перепады давления Ар регистрировали образцовыми маномет-
рами 3.
В этой серии экспериментов применяли в основном стати-
ческий метод барообработки, т. е. исследуемые системы одно-
кратно нагружали давлением до заданного значения р0 и выдер-
живали под этим давлением в течение длительного времени (24 ч
и более). Гидродинамические характеристики Q — Др исследуе-
мых систем определяли до и после барообработки. Данные опытов
также показали улучшение гидродинамических показателей не-
ньютоновских систем, обработанных давлением, при этом была
отмечена существенная роль кратности нагружения системы да-
влением.
Так, в примере высокосмолистой нефти барообработку прово-
дили следующим образом: систему нагружали давлением до р =
= 90 кгс/см2 и выдерживали под давлением в течение 24 ч, затем
давление сбрасывали до атмосферного, спустя 4 ч систему вновь
нагружали до первоначального давления и опять выдерживали
под давлением в течение 24 ч (рис. 97). Гидродинамические харак-
теристики снимали до барообработки, после первого и второго
нагружения давлением (рис. 98). Отмечена тенденция к улучшению
гидродинамических показателей с увеличением кратности барооб-
работок. Однако исследования фильтрации нефти, обработанной
давлением, но простоявшей трое суток без нагрузки, обнаружили
остаточную «память», т. е. частичное восстановление вязкоупру-
гости, что, вероятно, объясняется тем, что система не была обра-
ботана до полной стабилизации давления, когда р = р0, т. е.
до устойчивого преобразования в ньютоновскую систему.
Во всех проведенных исследованиях была четко прослежена
роль кратности нагружения систем давлением при барообработке.
Поэтому очередная задача сводилась к изысканию оптимальных
вариантов барообработки.
Были применены три метода барообработки неньютоновских
систем, представленных 1%-ным раствором ПИБ в трансформатор-
ном масле, нефтями с 34% и 47% содержанием асфальтосмолистых
веществ:
статическая барообработка — однократное нагружение давле-
нием с выдерживанием систем под нагрузкой до полной стабили-
зации давления в течение длительного времени;
ступенчатая барообработка — повторные нагружения системы
до начального значения давления в периоды нестабилизированно-
сти давления;
201
Рис. 97. Барообработка высокосмо-
листой нефти
Рис. 98. Зависимость расхода нефти
от перепада давления:
1 — до барообработки; 2,3 — после ба-
рообработки (см. рис. 97)
Рис. 99. Барообработка высокосмо-
листой нефти:
1 — статическая; 2 — ступенчатая; з —•
импульсная (х — восьмикратное увеличе-
ние давления до 30 кгс/см2, выдержива-
ние в течение 5 мин и разгрузка до ат-
мосферного давления с выдерживанием
по 3 мин)
7
Рис. 100. Реологические характе-
ристики напряжения сдвига т —
1—1' и вязкости р. — 2—2‘:
X — до барообработки; • — после им-
пульсной, циклической барообработки;
Л — «память» нефти, обработанной дав-
лением спустя 48 ч
202
импульсная циклическая барооораРотка — многократные,
кратковременные нагружения до заданного начального значения
давления и сбрасывание его до атмосферного.
Исследование влияния указанных методов барообработки на
структурно-механические свойства неньютоновских систем про-
водили па ротационном вискозиметре «Reotest» типа «RV», сравне-
нием реологических характеристик — напряжения сдвига т и вяз-
кости р. от скорости сдвига du!dr, определенных до и после барооб-
работки.
На рис. 99 и 100 приведены результаты барообработок нефти
с 34%-ным содержанием асфальтосмолистых веществ и реологи-
ческие характеристики ее до и после барообработки.
Результаты исследований показали, что импульсная цикличе-
ская барообработка — наиболее эффективный вариант обработки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алдошин В. Г., Савицкая М. Н., Френкель С. Я. Некоторые физико-
химические характеристики высокомолекулярного полиакриламида. —«Вы-
сокомолекулярные соединения», 1960, 3, с. 347—353.
2. Ализаде И. М., Аметов И. М., Мамедзаде Р. В. О нестационарной
фильтрации вязкоупругих жидкостей в пористой среде. — «Известия вузов»,
серия «Нефть и газ», 1976, № 9, с. 52—.54.
3. Алишаев М. Г. О нестационарной фильтрации с релаксацией давле-
ния. — «Труды Московского областного педагогического института», серия
«Гидромеханика», вып. 3, 1974, с. 166—177.
4. Андреев И. Б., Гавура В. Е., Горбатова А. Н. Предварительные
результаты опытно-промышленной закачки раствора полиакриламида на
Орлянском месторождении Куйбышевской области. — «Нефтяное хозяйство»,
1971, № 4, с. 45—49.
5. Баренблатт Г. И. Фильтрация двух песмешивающихся жидкостей
в однородной пористой среде. — «Известия АН СССР», Серия «Механика
жидкости и газа», 1971, № 5, с. 144—151.
6. Баренблатт Г. И., Ентов В. М. Неравновесные эффекты при
фильтрации несмешивающихся жидкостей. — «Труды IV Всесоюзного сове-
щания по теило-массообмену», т. 3, Минск, «Наука и техника», 1972, с. 18—29.
7. Баренблатт Г. И., Городцов В. А., Калашников В. Н. Турбулент-
ность аномальных жидкостей. — В кн.: «Тепло- и массоперенос». Минск,
«Наука и техника», 1968, т. 3, с. 3—23.
8. Бондаренко Н. Ф. О природе фильтрационных аномалий
жидкостей. — «Доклады АН СССР», т. 177, № 2, 1967, с. 383—386.
9. Бондаренко Н. Ф., Карманов В. Г. Экспериментальные исследова-
ния пороговых градиентов давления при течении жидкостей в капилля-
рах. — «Доклады АН СССР», т. 181, № 4, 1968, с. 840—843.
10. Булъчук Д. Д., Девликамов В. В., Хабибуллин 3. А. К вопросу об
определении давления начала выделения газа из нефти. —. Труды Уфимского
нефтяного института, вып. 6. М., «Недра», 1970, с. 30—34.
11. Булъчук Д. Д., Мурзазилъдин 3. Г., Салимгареев Т. Ф. Установка
для исследования процессов дегазирования нефтей. — «Машины и нефтяное
оборудование», 1970, № 11, с. 13—44.
12. Воютский С. С. Курс коллоидной химии. М., «Химия», 1976, 512 с.
с ил.
13. Вытеснение неньютоновских нефтей водой с высокомолекулярными
полимерными добавками. —. В кн.: Применение неньютоновских систем
204
в добыче нефти. Изд, ВНИИОЭНГ, М., 1970, с. 16—21. Авт.: А. Д. Амиров,
Р. Д. Исмайлов, Р. В. Мамедзаде и др.
14. Гидравлика глинистых и цементных растворов. М., «Недра», I960,
298 с. с ил. Авт..' А. X. Мирзаджанзаде, А. А. Мирзоян, Г. М. Гевинян и др.
15. Гидродинамические особенности разработки слоистых пластов с про-
явлением начального градиента давления. Казань, Татарское книжное из-
дательство, 1972, 112 с. с ил. Авт.: Р. М. Мингареев, А. X. Мирзаджан-
заде, Г. Г. Вахитов и др.
16. Девликамов В. В., Хабибуллин 3. А., Еникеев Р. И. Структуро-
образование в пластовых нефтях. — Труды Уфимского нефтяного института,
вып. 6. 1970, с. 35—49.
17. Догадкин Б. А., Бартенев Г. М., Резниковский М. М. Исследования
в области высокомолекулярных соединений. М., Изд-во АН СССР, 1949,
246 с. с ил.
18. Иванова М. М. О динамике отбора жидкости при разработке нефтя-
ных залежей. —«Нефтяное хозяйство», 1971, № 3, с. 63—68.
19. Калашников В. Н., Райский Ю. Д., Темчин А. 3. Снижение тур-
булентного теплообмена при течении в трубе полимерных растворов малой
концентрации. — «Журнал прикладной механики, математической физики»,
1968, № 6, с. 134-136.
20. Каргин В. А., Бакеев Н. Ф. Форма молекул и структурообразование
в растворах полиакриламидов. — «Коллоидный журнал», т. 19, № 2, 1957,
с. 133—137.
21. Каргин В. А., Китайгородский А. И., Слонимский Г. А. О строении
линейных полимеров. — «Коллоидный журнал», т. 19, № 2, 1957, с. 131—132.
22. Каргин В. А., Слонимский Г. А. Краткие очерки по физико-химии
полимеров. М., «Химия», 1967, 137 с. с ил.
23. Киселенко Б. Е., Кеннави Ф. А. Методы повышения нефтеотдачи
залежей нефти повышенной вязкости на конечной стадии разработки. —
«Нефтяное хозяйство», 1976, № 8, с. 31—34.
24. Краткий справочник по химии. Под редакцией Гороновского И. Т.
Киев, «Наукова думка», 1974, 364 с. с ил.
25. К применению высокомолекулярных соединений в нефтедобыче. —
«Азербайджанское нефтяное хозяйство», 1969, № 11, с. 20—21, Авт.:
А. М. Хасаев, Ш. Н. Алиев, Е. М. Алиев и др.
26. Кузькин С. Ф., Небера В. II. Синтетические флокулянты в процессах
обезвоживания. М., «Гостоптехиздат», 1963, 244 с. с ил.
27. Кукин В. В. Исследование процессов, связанных с использованием
полимеров и ПАВ при заводнении нефтяных пластов. Диссертация на соиск.
уч. степени канд. техн. наук. Изд. ИГиРГИ, М., 1967, 186 с.
28. Кукин В. В., Перышкина Т. II., Швецов И. А. Физико-химические
свойства загустителя воды полиакриламида. — «Труды Куйбышевского
научно-исследовательского института нефтяной промышленности». Вып. 38,
1968, с. 34—41.
205
t.a. леей в. и., Станкевич Н. А. Методика расчета процесса вытеснения
нефти из многослойных пластов оторочкой водорастворимых полимеров. —
«Нефтяное хозяйство», 1971, № 10, с. 42—44.
30. Лодж А. Эластичные жидкости. М., «Наука», 1969, 465 с. с ил.
31. Лыков А. В., Шульман 3. П., Лурис В. И. Массообмен цилиндра
в вынужденном потоке неньютоновской эластовязкой жизни. — В кн.: «Тепло-
и массоперенос», Минск, «Наука и техника», т. 3, 1968, с. 54—74.
32. Лукьянович В. М. Электронная микроскопия в физико-химических
исследованиях. М., Изд-во АН СССР, 1960, 274 с. с ил.
33. Малкин А. Я. Нормальные напряжения при течении аномально-
вязких полимерных систем. Расчет нормальных напряжений. — «Механика
полимеров», 1971, № 3, с. 506—514.
34. Мамедзаде А. М., Рафибейли Н. М. Изменение давления насыще-
ния газожидкостной смеси в зависимости от количественного содержания
глины в пористой среде. — «Известия вузов», серия «Нефть и газ», 1970,
№ 11, с. 35—38.
35. Мартинцив О. Ф., Рыжик В. М. Исследование процесса вытеснения
нефти водой из неоднородных пластов. — «Известия АН СССР», серия «Ме-
ханика», 1965, с. 175—181.
36. Маскет Моррис. Физические основы технологии добычи нефти.
М.—Л., «Гостоптехиздат», 1953, 607 с. с ил.
37. Мидлман С. Течение полимеров. М., «Мир», 1971, 295 с. с ил.
38. Мирзаджанзаде А. X. О теоретической схеме явления ухода рас-
твора. — «Доклады АН АзССР», т. 9, № 4, 1953, с. 203—206.
39. Моравец Г. Макромолекулы в растворе. М., «Мир», 1967, 398 с. с нл.
40. Мустафаев С. Д., Османов Э. Н. Экспериментальное исследование
начального перепада давления при фильтрации неньютоновских жидко-
стей. — «Известия вузов», серия «Нефть и газ», 1973, № 8, с. 51—54.
41. Налимов В. В., Чернова Н. А. Статистические методы планирования
экстремальных экспериментов. М., «Наука», 1965, 340 с. с ил.
42. Неравновесные эффекты при фильтрации вязкоупругих жидкостей. —
«Известия АН СССР», серия «Механика жидкости и газа», 1973, № 5, с.76—83-
Авт.: Г. И. Баренблатт, Ю. Г. Мамедов, А. X. Мирзаджанзаде и др.
43. Ноздрев В. Ф. Применение ультраакустики в молекулярной физике.
М., «Физматгиз», 1958, 456 с. с ил.
44. Нормальные напряжения при течении аномально-вяз1шх полимер-
ных систем. Эксперимент и сопоставление с расчетом. — «Механика поли-
меров», 1971, № 4, с. 714—721. Авт.: Г. В. Виноградов, А. Я. Малкин,
Г. В. Бережная и др.
45. Об одном возможном влиянии малых добавок высокомолекулярных
соединений на турбулентность. — «Журнал прикладной механики и техниче-
ской физики», 1965, № 5, с. 147—148. Авт.: Г. И. Баренблатт, И. Г. Булина,
Я. Б. Зельдович и др.
46. О влиянии асфальтенов на гидравлические сопротивления при дви-
жении нефтей. — «Инженерно-физический журнал», т. 25, № 6, 1973,
206
с. 1024—1026. Авт.: А. X. Мирзаджанзаде, И. Г. Булина, А. К. Галлямов и др.
47. О возможности повышения нефтеотдачи пластов путем закачки
загущенной воды. —«Нефтепромысловое дело», 1966, № 11, с. 6—11. Авт.;
Ю. В. Желтов, Б. Е. Киселенко, И. А. Якубович и др.
48. Полимеризация акриламида в концентрированных водных растворах
и двухфазных системах. — «Высокомолекулярные соединения», 1974, т. 16
№ 2, с. 365—369. Авт.: В. Ф. Громов, А. П. Шейнер, П. М. Хомиковский и др.
49. Применение присадок при перекачке высокопарафинистых нефтей. —
«Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов», 1973, № 2, с. 3- 6. Авт.:
Ю. В. Скрипников, Ю. А. Сковородников, Ш. В. Антонова п др.
50. Применение полимеров в нефтедобывающей промышленности. (Обзор
зарубежной литературы). Серия «Добыча». Автор обзора В. Н. Мартос.
Изд. ВНИИОЭНГ, М., 1974, 95 с.
51. Рейнер М. Деформация и течение. Введение в реологию. М., Гостоп-
техиздат, 1963, 381 с. с ил.
52. Савицкая М. И., Холодова Ю. Д. Полиакриламид. Киев, «Техника»,
1969, 185 с. с ил.
53. Сазонов Б. Ф. Некоторые итоги разработки месторождений Самар-
ской Луки. — Труды «Гипровостокнефть», вып. 2, 1959, М., Гостоптехиздат,
с. 228—240.
54. Сазонов Б. Ф. Характеристики процесса вытеснения несмешива-
ющихся жидкостей в систему скважин. — Труды «Гипровостокнефть»,
вып. 5, 1962. М„ Гостоптехиздат, с. 82—88.
55. Сазонов Б. Ф. Совершенствование технологии разработки нефтяных
месторождений при водонапорном режиме. М., «Недра», 1973, 238 с. с ил.
56. Султанов В. И. О фильтрации вязкопластичных жидкостей в пори-
стой среде. — «Известия АН АзССР», серия «Физико-математических
и технических наук», 1960, № 5, с. 125—130.
57. Тагер А. А. Физико-химия полимеров. М., «Химия», 1968, 536 с. с ил.
58. Темчин А. 3. Изменение свойств растворов полимеров при движении
в системе трубопровод — насос. — «Нефтяное хозяйство», 1972, № 4, с. 23—25.
59. Тривус Н. А., Виноградов К. В. Исследования нефтп и газа в пласто-
вых условиях. Баку, «Азнефтеиздат», 1955, 288 с. с пл.
60. Уилкинсон У. Л. Неньютоновские жидкости. М., «Мир», 1964,
216 с. с ил.
61. Физико-геологические проблемы повышения нефтеотдачи пластов.
М., «Недра», 1975, Авт.: М. Ф. Мирчинк, А. X. Мирзаджанзаде
Ю. В. Желтов и др.
62. Фильтрационные характеристики растворов полиакриламида. —
Труды Куйбышевского научно-исследовательского института нефтяной
промышленности, вып. 38, 1968, с. 21—33. Авт.: В. В. Кукин, А. Н. Гор-
батова, И. А. Швецов и др.
63. Чарный И. А. Подземная гидрогазодинамика. М., Гостоптехиздат,
1963, 392 с. с ил.
207
64. Щелкачее В. Н. Разработка нефтеводоносных пластов при упругом
режиме. М., Гостоптехиздат, 1959, 467 с. с пл.
65. Эффективность метода вытеснения нефти растворами полимеров. Экс-
пресс-информация. Нефтегазодобывающая промышленность, 1969, № 42, 36 с-
66. Anderson S. R., Schurz G. F. Increasing Flood Performance by Decre-
asing Water Mobility. — «Petroleum Equipment and Services». 1966, v. VII-
pp. 25—28.
67. Agnew H. Jerry. Here is how 56 polymer oil-recovery projects shape
up. — «Oil and Gas J.», May 1, 1972, N 18, pp. 109—112.
68. Armstrong Ted A. Polymer Floods Attacking Recovery Gap. —•
«Oil and Gas J.», Feb. 21, 1967, N 4, pp. 46—47.
69. Ben Sloat. Polymer treatment boosts production on four Floods. —
«World Oil», 1969, III, v. 168, N 4, pp. 44—47.
70. Burcik E., Ferrer J. The Mechanism of pseudo dilatant Flow. — «Prod.
Monthly», 32, 1968, N 3, pp. 7—8.
71. Burcik E. The Mechanism of Microgel formation in partially Hydro-
lyzed Polyacrylamide. — «J. Petrol. Technol.», 21 Apr., 1969, N 4, pp. 373 —
374.
72. Dauben D. G., Menzi D. E. Flow of Polymer Solution through porous
Media. — «J. Petrol. Technol.», 8 Aug., 1967, N 8, pp. 1065—1072.
73. Denton R. Wieland. Polymer Squeeze Cuts Water Oil Ratios. —
«J. of Petrol. Engr.», v. 45, 1973, N 1, p. 52.
74. Dawson R., R. Lantz R. Innaccessible Pore Volume in Polymer Flo-
oding. — «Soc. Petroleum Engr. J.», 1972, N 10, pp. 448—452.
75. Gogarty W. B. Rheological properties of Pseudoplastic Fluids in Po*
rous Media. — «Soc. Petroleum Engr. J.», 1967, N 2, pp. 149—.159, 161—170 .
76. Groenveld H., Melrose J. C., and George R. A. Pembina Polymer
Flood Pilot. — SPE Symposium on Improved Oil Recovery, 1976, Apr.,
Tulsa, Oklahoma, pp. 403—420.
77. Handbook of Chemistry and Physics. The Chemical Rubber Publis-
hing Co., Cleveland, Ohio, 1963, 3604 p.
78. Hirasaki G. J., Pope G. A. Analysis of Factors Influencing Mobility
and Adsorption in the Flow of Polymers Solution through Porous Media. —•
«Soc. Petroleum Engr. J.», 1974, 14, N 4, pp. 337—346.
79. Hossein H. Nouri, Root P. J. A Study of Polymer Solution Rheology,
Flow Behavior, and Oil Displacement Processes. Reprint «SPE», 1971, N 3523 ,
pp. 3—6.
80. Henry McCartney A., Ben Sloat. Polymer reduce risk in waterflo-
oding. — «J. of Petroleum Engr.», 1972, XII, v. 44, N 13, p. 74.
81. Jewett R. L., Schurz G. F. Polymer Flooding — a current apprai-
sal. — «J. Petrol. Technol.», 1970, VI, v. 22, N 6, pp. 675—684.
82. Jennings R. R., Rogers J. H. and 11'7? .si T. J. Factors influencing
mobility controf by polymer solutions. — «J. Petrol. Technol.», 1971, III,
v. 23, N 3, pp. 391—401.
208
83. Krebs H. J. Wilmington Field, California, Polymer Flood A Case
History. — SPE Symposium on Improved Oil Recovery. 1976, Apr., Tulsa,
Okl., pp. 389—409.
84. Lee K. S., Claridge E. L. Areal sweep efficiency of pseudoplastic
Fluids in a Five-Spot Hele-Shaw model. — «Soc. Petroleum Engr. J.», 1968,
III, v. 8, N 1, pp. 52-62.
85. Lescaboura J. A., Culter J. D., Wahl H. A. Drag reduction with
a polymerice additive in crude oil pipelines. —«Soc Petroleum Engr. J.»,
1971, XI, N 3, pp. 229—235.
86. Losansky W. B., Martin J. Tabor. South-Canadas First polymer
Flood. — «I. of Canad. Petrol. Techn.», 1970, IV—VI, v. 9, N 2, pp. 99—106.
87. Lynch E. J., Macwilliams D. C. Mobility Control with partially
hydrolyzed polyacrilamid. Discussion. — «I. Petroleum Technol.», 1969,
21 Oct., pp. 1247—1248.
88. Marchall В. I., Metzner A. В. Flow of Viscoelastic Fluids Through Po-
rous Media. — «Fundamentals», v. 6, 1967, X 3, Aug., pp. 393—400.
89. Maerker J. M. Dependence of Polymer Retention on Flow Rate. —
«J. of Petroleum Technol.», 1973, N 11.
90. Moore K. Joe. Reservoir barrier and Polymer Waterflood, Northeast
Hallsville Grane Unit. — «J. of Petrol. Technol.», 1969, IX, v. 21, N 9,
pp. 1130—1136.
91. Mungan N., Smith F. W., Thomson S. L. Some aspects of Polymer
Floods. — «J. of Petroleum Technol.», 1966, Sept., pp. 1143—1150.
92. Mungan N. Rheology and Adsorption of Aqueous Polymer Solu-
tions. — «I. of Canad. Petrol. Techn.», v. 8, 1969, N 2, pp. 45—50.
93. Mungan N. Improved Water Flooding Through Mobility Control. —
«Canad. J. of Chem. Engr.», v. 49, 1971, Feb.
94. Pye D. J. Improved Secondary Recovery by Control of Water Mo-
bility. — «I. of Petroleum Technol.», 1964, VIII, v. 16, N 8, pp. 911—916.
95. Polymer Flood Shows Promise as Recovery Tool. — «Oil and Gas J.»,
v. 64, 1964, N 27, July 4, pp. 56-57.
96. Bam A., Finkelstein E. F. Ch. Elata Reduction of Friction pipe-
line by Polymer additives. — «Ind. and Engr. Chemistry. Process Design
and Development.», v. 1, VI. 1967, N 3, pp. 303—313.
97. Sandijord В. B. Laboratory and Field studies of Water Floods using
polymer solution to Increase Oil Recovery. — «J. of Petroleum Technol.»,
1964, Aug., pp. 917-922.
98. Savins F. G. Non-Newtonian Flow Through Porous Media. —.«Ind.
Engineering Chemistry», 1969, v. 61, N 10, pp. 18—47.
99. Slobod B. L. A Review of Methods Use to Increase Oil Recovery. —-
«Producers Monthly», v. 22, 1958, N 4, p. 24.
100. Sherborne J. E., Sarein A. M., Sandijord В. В. Flooding Oil Contai-
ning Formations With Solution of Polymer in Water. — VH-th World Petro-
leum Congress, Mexico, 1967.
209
1U1. Toms В. A. Proceedings of The International Congress on Rheology,
v. II, North Holland Publishing Company, Amsterdam, 1949.
102. Ustick R. E., Hillhouse I. D. Comparision of Polymer Flooding
and Waterflooding at Huntington Beach, California. — «I. of Petroleum
Technol», 1967, sept., N 9, pp. 107.3—1079.
103. White J. L. Use of Polymers to control water production in oil
wells. — «J. of Petroleum Technol.», v. 25, 1973. II, N 2, pp. 143—150.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Предисловие ........................................... 3
Глава I
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И РЕОЛОГИЧЕСКИЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ РАСТВОРОВ ПОЛИМЕРОВ (И. А. ШВЕЦОВ)
Водорастворимые полимеры, пригодные для применения в технологи-
ческих процессах нефтедобычи, и их основные свойства... 5
Вязкостные свойства разбавленных растворов полимеров . 14
Реологические свойства разбавленных растворов полиакриламида
при фильтрации в пористой среде....................... 31
Определение величины нормальных напряжений при течении разбав-
ленных растворов полимеров............................ 46
Глава II
ФИЛЬТРАЦИОННАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВОДЫ,
ЗАГУЩЕННОЙ ПОЛИМЕРАМИ
Закон фильтрации аномальной жидкости и неравновесные эффекты
(А. X. Мирзаджанзаде) ..................... 53
Нестационарная фильтрация вязкоупругих жидкостей в пористой
среде (А. X. Мирзаджанзаде) .................. 65
Исследование кпнетики вязкоупругих систем. (Написано совместно
всеми авторами) .................................. 68
Особенности вытеснения водой нефтей, обладающих вязкоупругими
свойствами (Написано совместно всеми авторами)........ 76
Изучение адсорбции полимеров в пористой среде (II. А. Швецов) ... 82
Изучение причин затухания фильтрации растворов промышленных
образцов ПАА (И. А. Швецов)........................... 93
Восстановление проницаемости пористой среды гипохлоритом натрия
и кальция (И. А. Швецов)................,............ 103
2ft
Глава III
ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛИМЕРОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ
ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗАВОДНЕНИЯ НЕФТЯНЫХ ПЛАСТОВ
Исследование нефтевытесняющих свойств разбавленных растворов
полимеров (И. А. Швецов).................................... 106
Анализ промысловых испытаний применения полимерного заводне-
ния за рубежом (В. В. Кукин, Ю. Г. Мамедов)................. 115
Результаты опытно-промышленного заводнения Орлянского месторо-
ждения с применением полиакриламида (И. А. Швецов, Г. И. Григора-
щенко, В. В. Кукин)......................................... 122
Использование водорастворимых полимеров для борьбы с водопрояв-
ленпем (И. А. Швецов, Г. И. Григоращенко, В. В. Кукин)...... 137
Требования, предъявляемые к водорастворимым полимерам, исполь-
зуемым при заводнении нефтяных пластов {И. А. Швецов)....... 151
Критерии выбора объектов, пригодных для заводнения с использова-
нием полимеров (И. А. Швецов)............................... 152
Глава IV
ВЛИЯНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ ДОБАВОК НА ГИДРАВЛИЧЕСКУЮ
ХАРАКТЕРИСТИКУ ТУРБУЛЕНТНЫХ ПОТОКОВ
Вопросы регулирования гидродинамических характеристик нефтей
различными добавками (И. Г. Булина)......................... 158
Исследование влияния добавок кокса, гудрона и асфальтенов на сниже-
ние гидравлического сопротивления (А. X. Мирзаджанзаде, Ю. Г. Ма-
медов) ..................................................... 162
Оценка начала проявления эффекта снижения гидравлических сопро-
тивлений (Ю. Г. Мамедов).................................... 166
Исследование влияния полимерных добавок на гидродинамику псевдо-
ожижения зернистого материала (Л. X. Мирзаджанзаде, Ю. В. Зай-
цев, А. М. Хасаев).......................................... 168
Экспериментальные исследования характеристик турбулентного следа
за цилиндром, покрытым вязкоупругой пленкой (А. X. Мирзаджанзаде,
А. М. Хасаев)............................................... 170
Исследование влияния смачиваемости твердых частиц на перенос их
напорным цилиндрическим турбулентным потоком (А. X. Мирзаджан-
заде, А. М. Хасаев)....................................... 175
Влияние полимеров на параметры центробежного насоса. (Написано
совместно всеми авторами)................................... 176
Применение метода эволюционного планирования для выбора опти-
мального режима работы центробежного насоса (К). В. Зайцев,
А. М. Хасаев)............................................... 178
212
Исследования влияния полимерных добавок на газонасыщенность
потока (ТО. В. Зайцев, А. М. Хасаев)............................ 187
Применение полимерных добавок в компрессорных скважинах. (На-
писано совместно всеми авторами)................................ 190
Выбор оптимального варианта применения полимерных растворов
в компрессорных скважинах с использованием функции желатель-
ности (Л. М. Хасаев)............................................ 194
Исследование влияния барообработкп на реологические характери-
стики неньютоновских систем. (Написано совместно всеми авторами) 197
Список литературы .............................................. 204
ИБ № 2180
ГЕОРГИЙ ИВАНОВИЧ ГРИГОРАЩЕНКО
ЮРИЙ ВАСИЛЬЕВИЧ ЗАЙЦЕВ
ВЛАДИМИР ВИКТОРОВИЧ КУКИН
ЮСУФ ГУСЕЙН ОГЛЫ МАМЕДОВ
АЗАТ ХАЛИЛОВИЧ МИРЗАДЖАНЗАДЕ
АРИФ МУРТУЗ АЛИ ОГЛЫ ХАСАЕВ
ИГОРЬ АЛЕКСАНДРОВИЧ ШВЕЦОВ
ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛИМЕРОВ В ДОБЫЧЕ
НЕФТИ
Редактор издательства М. И. Черникова
Переплет художника Н. А. Седелъникова
Художественный редактор В. В. Шутъко
График-иллюстратор В. А. Крылов
Технический редактор Б. А. Илясова
Корректор Е- В. Мухина
Сдано в набор 08.09.77 Подписано в печать 07.03.78
Т-02909. Формат бОхЭО'/ц. Бумага К» 1. Гарнитура обыкн.
Печать высокая. Печ. л. 13,5. Уч.-изд. л. 14,09. Тираж
1200 экз. Заказ 522/6742—6. Цена 2 P- 50 к.
Издательство «Недра», 103633, Москва, К-12,
Третьяковский проезд, 1/19.
Ленинградская типография А! 6 Союзполиграфпрома
при Государственном комитете Совета Министров СССР
по делам издательств, полиграфии и книжной торговли.
196006, Ленинград, Московский пр., 91.
«у важаемыи товарищ'
Издательство ,, Недра4 4
готовит к печати новые книги
ВАХИТОВ Г. Г., КУЗНЕЦОВ О. Л., СИМКИН Э. М. Термодинамика
призабойной зоны нефтяного пласта. 16 л. 1 р. 66 к.
В книге изложены результаты анализа состояния призабойной зоны на
различных этапах разработки нефтяного месторождения с единых термодина-
мических позиций. Изложена теория термодинамического взаимодействия
системы скважина-пласт. Освещены вопросы термодинамики и тепломассо-
обмена при применении различных способов воздействия на залежь. Пред-
лагаемые методы проиллюстрированы экспериментом и примерами расчетов.
Показаны практическое использование результатов исследований авторов
в процессе разработки нефтяных и газовых месторождений и необходимость
анализа термодинамики призабойной зоны и способов ее экспериментального
изучения.
Книга рассчитана на научных и инженерно-технических работников
нефтяной и газовой промышленности, а также будет полезна студентам
нефтяных вузов и факультетов.
ЕФИМОВА Т. И. Экономика и организация ремонта нефтяных и газовых
скважин. 15 л. 95 к.
В книге освещены вопросы организации и повышения экономической
эффективности ремонта скважин на основе изучения и анализа большого
статистического материала и методических разработок. Показана зависимость
трудоемкости ремонтов разных видов от геолого-технических и организаци-
онных условий при выполнении полного комплекса операции и элементов
работ. Описана методика определения уровня механизации производствен-
ного процесса ремонта скважин, а также предложены мероприятия по внедре-
нию наиболее экономичных средств механизации. Обосновывается рациональ-
ная сменность работы бригад. Рассмотрены системы технико-экономических
показателей ремонта и критерии экономической его эффективности. Изло-
жены теоретические основы планирования, оценки объемов работ ремонта
скважин и система нормирования и оплаты труда рабочих бригад по ремонту
скважин.
Книга рассчитана на инженерно-технических работников нефтяной
и газовой промышленности и будет полезна студентам нефтяных вузов и тех-
никумов.
КАРЯГИН И. Д., БУЛАТОВ В. С., ТАНДАЛОВ В. В. Развитие газово!
промышленности севера Тюменской области. 15 л. 1 р. 06 к.
В книге дана оценка промышленных запасов газа. С учетом региона лг
ной специфики рассматриваются основные пути повышения эффективност
капитальных вложений в процессе формирования новой топлпвно-эпергетг
ческой базы страны. Описаны методы обустройства газовых промысло
и показаны пути оптимизации транспортной схемы доставки грузов. Пока
зана эффективность использования газа в народном хозяйстве Урала и Еврс
пейской части СССР. Широко раскрывается значение паучно-техническог
прогресса при освоении новых районов с экстремальными природными услс
виями. Освещены также социально-экономические проблемы освоения газе
вых ресурсов тюменского севера, в том чпеле и вопросы адаптации населения
Книга рассчитана на инженерно-технических работников газовой пре
мышленности, а также будет полезна студентам вузов.
РАЗРАБОТКА и эксплуатация нефтяных месторождений Западно
Сибири. 25 л. 1 р. 95 к. Авт.: Аржанов Ф. Г., Максимов В. II., Mypai
ленко В. И. и др.
В книге рассказано об особенностях разработки месторождений западш
сибирского нефтедобывающего района. Изложены принципы размещени
скважин с учетом инженерно-геологических особенностей района, оппсан
методы комплексного проектирования разработки, эксплуатации и промьк
левого обустройства.
Большое внимание уделено вопросам исследования скважин и пласто!
технологии и техники эксплуатации скважин различного назначения и пр
всех способах.
Книга предназначена для широкого круга инженерно-технически
и научных работников нефтяной и газовой промышленности.
Интересующие Вас книги Вы можете приобрести в местны
книжных магазинах, распространяющих научно-техническую лг
тературу, или заказать через отдел «Книга — почтой» магазинот
№ 17—199178, Ленинград, В. О. Средний проспект, 61;
№ 59—127412, Москва, Коровинское шоссе, 20.
ИЗДАТЕЛЬСТВО «НЕДРА»