יישום של פוליאקרילאמיד בתעשיית שדות הנפט

פוליאקרילאמיד (PAM), פולימר רב תכליתי, ביסס היטב את משמעותו בתעשיית שדות הנפט. משקלו המולקולרי הגבוה, בשילוב עם היכולת להיות מותאם לגרסאות אניוניות, קטיוניות ולא יוניות, מעניקים לו תכונות ייחודיות. מאפיינים אלה הופכים את PAM לבלתי נחוץ על פני קשת של פעולות בשדות נפט, ותורמים באופן משמעותי לשחזור נפט משופר, ביצועי נוזל קידוח מיטובים וטיפול יעיל במים.

1. שחזור שמן משופר (EOR)​

1.1 מנגנון בהצפת פולימרים

במרדף אחר מיצוי מיצוי הנפט, הצפה של פולימרים בפוליאקרילאמיד הופיעה כטכניקה מאומצת. התפקיד העיקרי של PAM בתהליך זה הוא להגביר את הצמיגות של המים המוזרקים. בתרחיש טיפוסי של מאגר, כאשר מוזרקים מים נטולי PAM, הצמיגות הנמוכה יחסית שלהם גורמת להם לזרום במהירות דרך אזורי החדירות הגבוהה. מחקרים מצביעים על כך שעד 70% מהמים המוזרקים עלולים לעקוף את אזורי החדירות הנמוכים שבהם נותרת כלואה כמות ניכרת של שמן. עם זאת, כאשר PAM מוצג, הוא יוצר תמיסה צמיגה. מולקולות הפולימר ארוכות השרשרת מסתבכות, ומגבירות את ההתנגדות לזרימה. זה מאלץ את המים המוזרקים להטות לאזורי החדירות הנמוכה. מחקרי מעבדה הראו שהסטה זו יכולה להוביל לעלייה בהחזרת הנפט של עד 15-20% בהשוואה להצפה במים ללא PAM.​

[הכנס כאן איור 1: תרשים סכמטי המראה את זרימת המים עם ובלי PAM במאגר. החלק השמאלי מראה מים הזורמים בעיקר דרך תעלות חדירות גבוהה ללא PAM, והחלק הימני מציג את הפיזור האחיד יותר של מים עם PAM באזורי חדירות גבוהים ונמוכים כאחד.]

1.2 בקרת ניידות

PAM ממלא תפקיד מכריע בבקרת ניידות, אשר חיונית לעקירת נפט יעילה. יחס הניידות (M), המוגדר כיחס בין הניידות של נוזל העקירה (מים המוזרקים) לתנועתיות הנוזל שנעקר (שמן), הוא פרמטר מרכזי. יחס ניידות גבוה גורם לעתים קרובות לאצבעות, כאשר המים המוזרקים יוצרים אצבע - כמו תעלות דרך השמן, מה שמוביל ליעילות תזוזה לקויה. על ידי הגדלת הצמיגות של המים המוזרקים, PAM מפחית ביעילות את יחס הניידות. לדוגמה, אם הניידות של שמן היא μo/ko (כאשר μo היא הצמיגות של שמן ו-ko היא החדירות לשמן) והניידות של המים המוזרקים היא μw/kw (כאשר μw היא צמיגות המים ו-kw היא החדירות למים), הוספת PAM יכולה להגדיל את μw בכמה - פי. יישומי שטח הוכיחו שהפחתת יחס הניידות יכולה לשפר את יעילות הסוויף ב-25-30%, מה שמבטיח תזוזה יציבה ויעילה יותר של שמן.

1.1 הצפה בפולימר

הצפה של פולימרים היא טכניקת EOR מאומצת באופן נרחב, ופולימרי אקרילאמיד נמצאים בלב תהליך זה. בהצפה של פולימר, פולימרים אקרילאמיד מסיסים במים מוזרקים למאגר השמן יחד עם מים. פולימרים אלו מגבירים את הצמיגות של המים המוזרקים, ובכך משפרים את יעילות הסחיפה. ככל שהמים הצמיגים יותר מציפים את המאגר, הם יכולים לעקור טוב יותר את הנפט הכלוא בתצורות הסלע הנקבוביות. אופי השרשרת הארוכה של פולימרים אקרילאמיד מאפשר להם להסתבך עם מולקולות מים, מה שמגביר את יכולת המים לדחוף את הנפט לכיוון בארות הייצור. זה מביא לשיעורי שחזור נפט מוגברים, מה שהופך את פולימרי האקרילאמיד לנכס בעל ערך בפעילות EOR.

1.2 בקרת ניידות

פולימרים מבוססי אקרילאמיד ממלאים גם תפקיד מכריע בבקרת ניידות במהלך EOR. במאגרים הטרוגניים קיימת נטייה של הנוזל המוזרק להתעלות דרך אזורי החדירות הגבוהה, ומותיר אחריו כמות נפט משמעותית באזורים בעלי החדירות הנמוכה. על ידי התאמת צמיגות הנוזל המוזרק באמצעות פולימרים אקרילאמיד, ניתן לייעל את יחס הניידות בין הנוזל המוזרק לשמן. זה מבטיח פיזור אחיד יותר של הנוזל המוזרק בכל המאגר, ומשפר את יעילות תזוזת השמן הכוללת. לדוגמה, ניתן לעצב פולימרים אקרילאמיד מצולבים כך שיהיו בעלי התנהגות ריאולוגית ספציפית, המסייעת בהפניית זרימת הנוזל המוזרק לאזורים הפחות נגישים של המאגר.

2. תוסף נוזל קידוח

​

2.1 בקרת צמיגות וראוולוגיה

במהלך פעולות הקידוח, שמירה על הצמיגות והריאולוגיה המתאימים של נוזל הקידוח היא בעלת חשיבות עליונה. פוליאקרילאמיד משמש כחומר צמיג יעיל. במערכת נוזל קידוח, מולקולות PAM מקיימות אינטראקציה עם חלקיקים מוצקים, כגון חימר. מבנה השרשרת הארוך של PAM נספג על פני השטח של חלקיקי חימר, ומגשר ביניהם. צבירה זו של חלקיקים על ידי שרשראות PAM מגבירה משמעותית את הצמיגות של נוזל הקידוח. צמיגות נאותה, בדרך כלל בטווח של 30 - 60 centipoise עבור רוב פעולות הקידוח, נדרשת כדי לשאת ביעילות ייחורים אל פני השטח. זה גם עוזר למנוע קריסת צינורות באר על ידי מתן לחץ הידרוסטטי מספיק ושולט באיבוד נוזלים

[הכנס כאן איור 2: מבט מיקרוסקופי של PAM באינטראקציה עם חלקיקי חימר בנוזל קידוח. שרשראות ה-PAM מוצגות המקשרות חלקיקי חימר מרובים, ומגבירות את הצמיגות הכוללת של הנוזל.]

2.2 בקרת איבוד נוזלים

בעת קידוח דרך תצורות חדירות, נוזל הקידוח יכול לחלחל לתוך התצורה, ולגרום להפחתה בלחץ ההידרוסטטי בקידוח הקידוח ולנזק פוטנציאלי לתצורה. PAM יוצר עוגת סינון על דופן הבאר. PAM אניוני, בפרט, מקיים אינטראקציה עם המשטחים הטעונים חיובית במבנה. עוגת סינון זו פועלת כמחסום, ומפחיתה את איבוד הנוזלים. מחקרים הראו שהשימוש ב-PAM יכול להפחית את אובדן הנוזלים בעד 50-60%, תוך שמירה על שלמות הקידוח והתצורה.

3. טיפול במים בשדות נפט

​

3.1 קיבוץ של מוצקים מרחפים

מים שהופקו בשדות נפט מכילים לרוב מוצקים מרחפים, כולל חול, סחף וטיפות שמן. פוליאקרילאמיד מתפקד כחומר פלוקולנט. הקבוצות הטעונות על מולקולות ה-PAM מקיימות אינטראקציה עם מטענים פני השטח של החלקיקים המרחפים. PAM קטיוני, למשל, מושך מוצקים מרחפים בעלי מטען שלילי. כפי שמוצג באיור 3, שרשראות הפולימר מגשרות בין חלקיקים מרובים, מה שגורם להם להצטבר לקבוצות גדולות יותר. לאחר מכן ניתן להפריד בקלות רבה יותר את הצקות הללו מהמים באמצעות תהליכי שקיעה או סינון. השימוש ב-PAM ב-flocculation יכול להגביר את יעילות ההפרדה של מוצקים מרחפים ב-70-80%.

[הכנס כאן איור 3: דיאגרמה המציגה את תהליך הצקיפה של מוצקים מרחפים במים שהופקו בשדות נפט על ידי PAM. חלקיקים מרחפים קטנים מוצגים מתקבצים לקבוצות גדולות יותר תחת פעולת PAM.]

3.2 הסרת מים של שמן - תחליב מים

שמן - תחליב מים נפוצים בפעילות שדות נפט. PAM יכול לשבור את האמולסיות הללו ולהקל על הסרת המים. הפולימר נספג בממשק שמן-מים, משבש את יציבות האמולסיה. על ידי שינוי מתח הממשק וקידום התלכדותן של טיפות מים, PAM מסייע בהפרדת שלב המים משלב השמן. הפרדה זו חיונית לטיפול וסילוק נאותים של מים מופקים ולהשבת רכיבי שמן יקרי ערך.

מסקנה

היישומים של פוליאקרילאמיד בתעשיית שדות הנפט מגוונים ומרחיקים לכת. החל משיפור שחזור השמן ועד הבטחת פעולה חלקה של קידוח וטיפול יעיל במים, הוא הפך לכימיקל חיוני. ככל שתעשיית הנפט תמשיך לחקור שיטות מיצוי יעילות ובת קיימא יותר, הפיתוח והאופטימיזציה של יישומי פוליאקרילאמיד יישארו ללא ספק בחזית המחקר והחדשנות.