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
圣彼得堡大学车比雪夫实验室的科学家们连同莱昂哈德·欧拉数学研究所以及俄罗斯天然气工业股份公司的专家共同开发出一种将水溶性聚合物泵入含油层的新技术。这种方法可在石油开采中节省最多17%的昂贵化学制剂。
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。