圣大数学家提出一种在石油开采中节省昂贵高分子聚合物的方法

研究结果发表在《计算与应用数学杂志》与2021年SPE俄罗斯石油技术会议论文集上。

研究团队成员，圣彼得堡国立大学教授，车比雪夫实验室和莱昂哈德·欧拉数学研究所研究员谢尔盖·季霍米罗夫（Сергей Тихомиров）表示，全球易于开采的石油储量正在迅速减少。石油工作者为从含油层中开采出那一部分“黑金”，已经钻了足够多的井，灌注了足够多的水。与此同时，已开发的油田仍存有大量石油。它“粘”在多孔介质的壁上，就像脂肪粘在煎锅上一样，不会被普通的水推上表面。

为了回收含油层中剩余的石油，石油行业的专家们会使用增强采油技术。为此，泵入油井中的通常不是水，而是一类更粘稠的物质，例如添加了各种聚合物的液体。但这项技术有一个明显的缺点，使用化学品的解决方案会花费更高成本，这会显着增加石油开采成本。

因此，石油工作者们会这样做：他们将一定量的化学液体（称为镶边）泵入，然后再泵入水。

谢尔盖·季霍米罗夫，车比雪夫实验室和莱昂哈德·欧拉数学研究所研究员

“然而麻烦在于，水在排挤粘性溶液时是不均匀的。它会在镶边中形成不均匀的结构，即所谓的粘性指状物。这些‘指状物’会蔓延，并可能过早地突破聚合物溶液，然后突破油，从而显着降低聚合物的有效性，”谢尔盖·季霍米罗夫解释道。

圣彼得堡大学车比雪夫实验室连同莱昂哈德·欧拉国际研究所的科学家、俄罗斯天然气工业股份公司的员工一起成功解决了这个问题。研究人员提出使用克拉里奇（E. Claridge） 在1978年描述的方法，并逐渐降低注入聚合物的粘度。为此，他们搭建了一个特别数学模型，石油工作者可以利用该模型计算聚合物浓度与水的正确比值，从而在不同条件下成功开采石油。这将有助于减少聚合物的使用量，同时不会造成“粘性指状物”过早突破化学溶液。

“相比石油行业运用的标准计算模型，我们的模型更具优势。我们正确预测了更多的‘粘性指状物’特征。我们的理论模型总是可以得到正确的负面答案：它可以展示在给定的条件下，‘指状物’生长速度不会超过某一速度。这可以在不增加风险的情况下节省资金。毕竟，如果使用太少的聚合物溶液，它就不会起作用，”谢尔盖·季霍米罗夫说道。

数学家们搭建的模型还可以设置“粘性指状物”在不同浓度的聚合物镶边中的速度，以及拖尾前沿，即与水接触的那部分化学溶液的速度。这一切都无法用经典公式计算出来。科学家们使用数值模拟测试并证实了新模型的适用性。

“我们当时是想：如果不往高分子聚合物中一次性加足水会怎么样？也许可以一开始将少量溶液泵入钻井中，然后分若干阶段添加，与此同时逐次降低注入剂的浓度？事实证明，使用这项技术可以节省高达17%的聚合物，并确保聚合物镶边不会断裂。技术验证的下一步是实验室测试。我们希望在不久的将来与俄罗斯天然气工业股份公司一起进行测试，”谢尔盖·季霍米罗夫说。

研究人员预计，未来这一开采法将能够在石油开采实践中得到应用。据谢尔盖·季霍米罗夫称，未来，行业专家将能够自主制定每个具体油田的技术方案，及其所需的浓度降低阶段数量。研究人员创建的数学模型将在这方面为石油工作者提供帮助。在其帮助下，还可以计算每个特定案例的边际收益。