پلیمر و نفوذپذیری سنگ

پلیمر و نفوذپذیری سنگ

اسلاید 1: 1Polymer Flooding

اسلاید 2: 2فرایند کنترل mobilityاهداف mobility control :تغییر rate حرکت سیالات تزریقی و تولیدی درون مخزنکاهش mobility ratioافزایش volumetric sweep efficiency

اسلاید 3: 3معادله زیرنشان می دهد که mobility ratio را با ترکیبی از تغییرات نفوذ پذیری سنگ به سیالات تولیدی وتزریقی و/یا تغییرات ویسکوزیته می توان تغییر داد.M=(kw/µw)/(ko/µo )از آنجا که تغییرخواص سیال تولیدی یا نفوذ پذیری سنگ به سیال تولیدی عملی نمی باشد٬اغلب فرایندهای mobility control شامل افزودن chemical ها به سیالات تزریقی جهت افزایش ویسکوزیته ظاهری سیال تزریقی و/یا کاهش نفوذ پذیری موثر سنگ به سیال تزریقی می باشد.اگر سیال تزریقی آب باشد٬ از پلیمرودر صورتیکه گازباشد٬ازsurfactant استفاده می شود.

اسلاید 4: 4معمولا polymer flood زمانی اقتصادی است که:Water flood mobility ratio بالا است.Heterogeneity مخزن بالا است.Sequence تزریق polymer flood :Preflush شامل low salinity brine Oil bank محلول پلیمربافر fresh water جهت محافظت از محلول پلیمری جهت کاهش mobility ratio نا مطلوب بین chase water ومحلول پلیمر٬ بافر شامل پلیمر با مقادیر کاهشی می باشد.Chase یا drive water

اسلاید 5: 5

اسلاید 6: 6نمونه هایی از پلیمرهای مناسب جهت فرایند polymer flooding :Xanthan gumHydrolyzed polyacrylamid(HPAM)Copolymers of acrylic acid and acrylamidCopolymers of acrylamide and 2-acryamide 2-methyl propane sulfonateHydroxyethylcellulose(HEC)Carboxymethylhydroxyethylcellulose(CMHEC)Polyacrylic acid….تمامی پلیمرهای اقتصادی مورد استفاده در فرایندpolymer flooding در دو دسته زیر قرار می گیرند: پلی اکریل آمیدهاو پلی ساکاریدها

اسلاید 7: 7پلی اکریل آمیدهاواحد مونومری آنها مولکول اکریل آمید می باشد.فرایند هیدرولیز جزئی باعث scatter گروه های کربوکسیل (-coo-) در طول زنجیره و ایجاد بارمنفی روی backbone زنجیره پلیمری می شود که تاثیر زیادی روی خواص رئولوژیکی محلول پلیمری دارد.

اسلاید 8: 8درجه هیدرولیز٬جزئی ازگروه های آمیدی تبدیل شده دراثرهیدرولیزمی باشدواز15% تا35% متغیر است.درجه هیدرولیزجهت بهینه کردن خواصی چون حلالیت ٬ویسکوزیته و retention انتخاب می شود.اگر هیدرولیز خیلی کوچک باشد٬ پلیمر water soluble نخواهد بود.و اگر هیدرولیزخیلی بزرگ باشد٬ خواص پلیمر نسبت به salinity بسیار حساس خواهد بود. mobility محلول های پلیمری شامل پلی اکریل آمید توسط:افزایش ویسکوزیته محلولوکاهش نفوذپذیری سنگ کاهش می یابدمعمولا تمامی خواص HPAM ها حساسیت بالایی به salinity وhardness دارند.از طرف دیگرHPAM ها ارزان قیمت هستند و تقریبا نسبت به حمله باکتری ها مقاوم می باشند.

اسلاید 9: 9پلی ساکاریدهاپلی ساکارید ها (یا بیو پلیمرها)ی مورد استفاده در پروسه EOR٬ xanthan gum می باشد.زنجیره پلیمری دارای مقاومت عالی در برابر شکست مکانیکی می باشند.در برابرbacterial attack حساس می باشد.خواص پلی ساکارید ها به salinity وhardness حساس نمی باشد. محلول های پلیمری xanthan٬ mobility سیال تزریقی را تنها ازطریق کاهش ویسکوزیته محلول کاهش می دهند وکاهش نفوذ پذیری سنگ را در پی ندارند.هر دو نوع پلیمر در دمای بالا تمایل به chemical degradation دارند.

اسلاید 10: 10خواص رئولوژیکیپلیمرها به خاطر خواص رﺌولوژیکی آنها در محلول های رقیق٬ در EOR مورد استفاده قرار می گیرند.معادله کلی که رابطه بین shear rate وshear stress را بیان می کند به صورت زیر می باشد:K*έn=דدر حالتیکه n~=1٬ shear stress با shear rate به صورت خطی تغییر نمی کند و سیال غیر نیوتنی می باشد.در این حالت یک ویسکوزیته ظاهری تعریف می شود:=μa*έדمحلول های aqueous پلی اکریل آمیدها و بیوپلیمرهای xanthan معمولا رفتار رﺌولوژیکی غیر نیوتنی دارند. معمولا ویسکوزیته ظاهری محلول های پلیمری استفاده شده در فرایند های EOR با افزایش shear rate کاهش می یابد.سیالاتی با این خواص رﺌولوژیکی٬ shear thinning نام دارند.

اسلاید 11: 11ویسکوزیته ظاهری به این دلیل کاهش می یابد که مولکول های پلیمر توانایی align کردن خود را با shear field دارند که کاهش internal friction را در پی دارد.خواص رﺌولوژیکی سیال shear thinning را می توان با استفاده از مدل power-law بررسی کرد:μ=k*έ(n-1)

اسلاید 12: 12مولکول پلیمر در محلول فضای بیشتری را اشغال می کند وویسکوزیته ظاهری محلول نیز افزایش می یابد.در salinity پایین بارهای منفی روی backbone پلیمر یکدیگر را دفع می کنند و باعث کشیدگی زنجیره پلیمری می شود. با افزودن الکترولیت به محلول پلیمر٬ نیروهای دافعه توسط یک double layer الکترولیت screened می شود. بنا براین extension کاهش می یابد.Salinity تاثیر کمی روی ویسکوزیته نسبی پلیمرهای unhydrolyzed دارد.ویسکوزیته محلول های xanthan درمقایسه با HPAMها کمترتحت تاثیرsalinity می باشد. Salinity

اسلاید 13: 13Polymer Retentionمعمولاوقتی پلیمردرون محیط متخلخل جریان می یابد مقدار قابل توجهیpolymer retention به وجود می آید که می تواند به یکی از دلایل زیر باشد:جذب روی سطح porous material Mechanical entrapment در سوراخ هایی که نسبت به اندازه مولکول پلیمر کوچک هستند.Retention پلیمر در محیط متخلخل را می توان با استفاده از مدل ایزوترم لانگمیربه دست آورد.C=a1b1c/(1+b1c)مدل لانگمیر یک رابطه تعادلی می باشد و در کاربرد آن فرض براین است که retention سریع(instantaneous) باشد.در مدل لانگمیر٬ retention برگشت پذیر است.بنابراین وقتی retention پلیمر را برگشت ناپذیر در نظر می گیریم نمی توان از این مدل استفاده کرد.

اسلاید 14: 14Inaccessible Pore Volumeدلیل اولیه کاهش جذب در محیط متخلخل وجود inaccessible pore volume (IPV) می باشد.مولکول های پلیمرازمولکول های آب وبرخی pore های یک محیط متخلخل بزرگترهستند.به همین دلیل پلیمرها درون تمامی فضاهای خالی تماس یافته با brine جریان نمی یابند.جزئی از فضای خالی که محلول پلیمر نمی تواند با آن تماس داشته باشد IPV نام دارد.وجود IPV توسط Dawn وLantz به صورت زیرتوضیح داده شده. زمان لازم برای عبورbrine از درون محیط متخلخل:tw=L/Vw=A*φw*L/qfront غلظت در زمانی معادل با تزریق یک PV brine به انتها می رسد.و زمان لازم برای عبور پلیمراز درون محیط متخلخل:tp=L/Vp=A*φp*L/qبرخلاف rate های یکسان ٬front غلظت ﭘلیمر زودتر از brine front به انتها می رسد.

اسلاید 15: 15از آنجا که rate تزریق وهندسه محیط بدون تغییر است سرعت محلول پلیمر بیشتر است. می توان به این نتیجه دست یافت که تخلخل موثر برای محلول پلیمر٬کمتر از تخلخل موثر برای brine است.

اسلاید 16: 16کاهش نفوذپذیریمعادله دارسی برای توضیح جریان سیال نیوتنی در محیط متخلخل استفاده می شود.برای محلول های پلیمری و دیگر سیالات غیرنیوتنی این معادله باید تغییر یابد.چون ویسکوزیته ثابت نیست و تابعی از flow parameter می باشد.ویسکوزیته ظاهری را می توان با استفاده از مدل power law به دست آورده و آن را در معادله دارسی به کار برد.پلیمرها در محیط متخلخل ویسکوزیته بیشتری را ازآنچه در اندازه گیری های capillary flow به دست می آید٬نشان می دهند.(mobility پلیمرها از آنچه انتظار می رود کمترمی باشد.)

اسلاید 17: 17بررسی معادله دارسی نشان می دهد که این کاهش به خاطر کاهش چشمگیر در نفوذپذیری نسبی محیط به پلیمر می باشد.معیار کاهش mobility٬ به نام resistance factor ٬ به صورت زیرتعریف می شود:R=λw/λpبرای توضیح اثر کاهش نفوذپذیری٬ به تنهایی٬فاکتورکاهش نفوذپذیری به صورت زیرتعریف می شود:R=kw/kpR که معیاری از کاهش نفوذپذیری می باشد به عوامل زیر بستگی دارد:نوع پلیمرMW پلیمرShear rate Pore structure محیطدر صورتیکه پلیمرها در معرض mechanical degradation (هر چند بسیار کم) قرار بگیرند بیشتر تاثیر کاهش نفوذ پذیری خود را از دست می دهند.

اسلاید 18: 18Screen Factorدر oilfield خواص ویسکوالاستیک محلول پلی اکریل آمید با وسیله ساده ای به نام screen viscometer بررسی می شود.Screen factor محلول پلیمری به صورت زیر تعریف می شود.Sf=td/tdstds :زمان لازم برای جریان یافتن polymer-free brine ازtiming mark بالایی به پایینیtd : زمان لازم برای جریان یافتن پلیمراز timing mark بالایی به پایینی موارد استفاده screen factor :Flow resistance correlation در محیط متخلخلمحاسبه shear degradation محلول پلیمر

اسلاید 19: 19DegradationMW متوسط پلیمراز طریق degradation شیمیایی٬بیولوژیکی ویا مکانیکی کاهش می یابد.Chemical degradation به هر یک از فرایندهای زیراطلاق می شود:Thermal oxidationFree radical substitutionHydrolysisBiological degradationهردوی پلی اکریل آمیدها و بیوپلیمرها نسبت به oxidative attack توسط اکسیژن حل شده در آب تزریقی حساس هستند. با کاهش اکسیژن آب یا brine به مقادیرکمترازچندppm می توان از degradation حاصل از oxidative attack جلوگیری کرد.این کارمعمولا با استفاده از oxygen scavenger ها یا آنتی اکسیدان هاانجام می شود.

اسلاید 20: 20فواید oxygen scavenger ها:عوامل کاهشی (reducing agents ) قوی هستند.به جلوگیری از gelation٬ agglomeration و دیگراثرات نامطلوب -که می توانند plugging چاه را به همراه داشته باشند- کمک می کنند. با کاهش ویسکوزیته محلول با زمان ٬degradation ایجاد می شود.با افزایش دما٬ degradation rate افزایش می یابد. نتایج آزمایشگاهی نشان می دهد که xanthan تا k 367 وHPAM تقریبا تا k 394 پایدار می باشند.در مورد xanthan نتایج تا حدود زیادی به شرایط موجود مانند salinity وPH بستگی دارد.Salinity بالا و 7<PH<9 شرایط مطلوب است.

اسلاید 21: 21Biologiacal degradation برای هردوی پلی ساکاریدها وHPAM اتفاق می افتد.اما درمورد HPAM ها امکان ﭘذیر تر است.متغیرهای موثربرbiological degradation :نوع باکتری درون brine دمافشارSalinityمواد شیمیایی موجود دیگرمولکول پلیمرهای flexible مانند پلی اکریل آمید نسبت به shear degradation بسیار حساس می باشد.این مولکول ها در صورت قرار گرفتن در معرض shear rate های بالا به راحتی degrade می شوند.Shear degradation موجب rupture زنجیره پلیمری ودرنتیجه تغییرMW وscreen factor و ویسکوزیته محلول می شوند.بیوپلیمرها تحت shear مشابه degrade نمی شوند.

اسلاید 22: 22انتخاب مخزن مناسبGuideline های مهمی که برای polymer flooding مناسب وجود دارد:Polymer flooding درحالات زیر به افزایش بازیافت کمک می کند:2<M<20توزیع نفوذ پذیری قابل توجهدر حالتیکهM>20 باشد polymer flooding از نطر اقتصادی به صرفه نمی باشد.ودر حالتیکه M=1 باشد با عملیات polymer flooding برداشت زیادی نخواهیم داشت.در صورتیکه water flooding موجود به دلایلی غیر از M یا تغییرات نفوذپذیری نامناسب ضعیف عمل می کند polymer flooding به راحتی نمی تواند مشکل را حل می کند. تزریق سیال باید تقریبا با تولید سیال مساوی باشد.در صورت مشاهده imbalance چشمگیر پلیمر gas cap یا دیگرمناطق void را پر میکند.وجود گستردهaquifer گسترده نیزمنجر به از دست رفتن مقدار قابل توجهی پلیمر خواهد شدیکی دیگر از موارد ناکارآمد استفاده از پلیمرها در مخازنhighly fractured یا vugular می باشد. این سازند ها به پلیمر اجازه عبوررامی دهند بدون اینکه mobility محیط متخلخل را کاهش دهد.

اسلاید 23: 23دمای مخزن باید کمتر ازF 300-250 باشد.نتایج آزمایشگاهی نشان می دهد که بسیاری از محلول های پلیمری در دماهای بالا degrade شده کارایی خود را از دست می دهند.Mobile oil saturation باید به صورت منطقی بالا باشد تا پتانسیل اقتصادی برای تزریق پلیمررا فراهم کند. فاکتورهایی که mobile oil saturation را محدود می کند:High residual oilHigh recovery حاصل از عملیات اولیهمخازن water drive که مقدار کمی تولید آب دارند(یا اصلا ندارند) کاندیدای مناسبی برای polymer flooding هستند.