Водоизоляция полимерами. Нефтяное хозяйство04201463
 Скачать 219.23 Kb.
|
|
НЕФТЯНОЕ ХОЗЯЙСТВО 04’2014 63 Н а значительной доле вводимых в разработку ме- сторождений с низкопроницаемыми неоднород- ными коллекторами наблюдаются прорывы воды и преждевременное обводнение скважин, что тре- бует проведения специальных водоизоляционных меро- приятий, эффективность которых во многом опреде- ляется выбором тампонажного материала. Перспектив- ными в этом отношении являются технологии ограниче- ния водопритока на основе гелеобразующих составов. Формирующийся непосредственно в пластовых усло- виях гель создает барьеры и экраны с повышенным фильтрационным сопротивлением, которые препят- ствуют прорывам воды по высокопроницаемым каналам и прослоям. К недостаткам большинства известных гелеобразую- щих водоизоляционных составов можно отнести их низ- кую проникающую способность, нестабильность в пла- стовых условиях, токсичность и высокую стоимость. Устранение перечисленных недостатков может суще- ственно повысить конкурентоспособность этого способа водоизоляции [1, 2]. Исходя из опыта применения и наличия сырьевой базы в качестве объектов исследования были выбраны водно-щелочные растворы гидролизованного акрил- содержащего полимера с добавлением к ним неионо- генного ПАВ комплексного действия (реагент ГПС–1 по ТУ 2216–007–22650721-2012 производства ООО «Синтез–ТНП, Уфа). Неиногенный ПАВ пред- ставляет собой смесь продукта реакции ненасыщен- ных жирных кислот с аминами и их производными с растворителями и функциональными добавками, спо- собный изменять межфазное взаимодействие в дис- персной системе (объемный механизм) и на внешних границах последней (поверхностный механизм). Экспериментальная часть настоящей работы включала тестирование образцов полимерных составов по стан- дартным (совместимость компонентов, поверхностная активность, термостабильность) и оригинальным (рео- логия и микрореология, фильтрация) методикам. Прове- денные по известным методикам исследования позволи- ли существенно сузить круг потенциально возможных компонентов и их композиций. На заключительной ста- дии исследований по результатам реологических и фильтрационных испытаний были выбраны наиболее удачные композиции и рецептуры изучаемых составов, отвечающие взаимоисключающим требованиям – высо- кие фильтрационные и водоизоляционные характери- стики на разных стадиях процесса водоизоляции. В статье приводятся результаты анализа одного из об- разцов полимерных составов (ПС) с добавкой к нему ПАВ (ПС+ПАВ). Эксперименты по определению меж- фазного натяжения на границе дистиллированная вода – керосин позволили определить оптимальное со- держание ПАВ в полимерном растворе, соответствую- щее критической концентрации мицеллообразования (ГОСТ 29232–91). Оно составило примерно 1 %. Гидро- фобизирующую способность ПАВ оценивали методом самопроизвольного впитывания воды [3]. Результаты экспериментов показали, что после обработки керна растворами различной концентрации динамика впиты- вания дистиллированной воды в пористую среду суще- ственно изменяется: при концентрации ПАВ 0,25 % уже наблюдается двукратное снижение массы впитавшейся воды (за 3 мин), и эта тенденция сохраняется вплоть до М.К. Рогачев, д.т.н., А.О. Кондрашев (Национальный минерально–сырьевой университет «Горный»), О.Ф. Кондрашев, д.т.н. (Уфимский гос. нефтяной технический университет) Водоизоляционный полимерный состав для низкопроницаемых коллекторов Ключевые слова: полимерный состав, водоизоляция, ПАВ, низкопроницаемый коллектор. УДК 622.276.1/.4:553.98Н.П. © М.К. Рогачев, А.О. Кондрашев, О.Ф. Кондрашев, 2014 РАЗРАБОТКА И ЭКСПЛУАТАЦИЯ НЕФТЯНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ Адрес для связи: rogatchev@mail.ru Water-shut-off polymeric composition for low-permeable reservoirs M.K. Rogachev, A.O. Kondrashev (National Mineral Resources University, RF, Saint-Petersburg), O.F. Kondrashev (Ufa State Petroleum Technological University, RF, Ufa) E-mail: rogatchev@mail.ru Key words: polymeric composition, water-shut-off, surfactant, low-perme- able reservoir. The article presents the results of research of developing a polymeric composi- tion for intrastratal water-shut-off in low-permeable reservoirs.Polymeric compo- sitions (aqueous alkaline solutions of hydrolyzed akril-contain polymer) were se- lected as objects of the study with the addition of the nonionic surfactant with hydrophobic properties (this surfactant is the reaction product of unsaturated fatty acids with amines and their derivatives).As a result of complex research, new hydrophobized polymeric composition was designed, brought to the in- dustry and recommended for use in intrastratal water-shut-off in low permeable reservoirs. Compared with a conventional aqueous acrylic polymer, developed polymer composition reduces pressure injection into the reservoir and increas- es the residual resistance factor. 64 04’2014 НЕФТЯНОЕ ХОЗЯЙСТВО Р АЗР АБО ТКА И ЭКСПЛУ А ТАЦИЯ НЕФТЯНЫХ МЕСТ ОРОЖДЕНИЙ концентрации ПАВ 1 %. Дальнейшее повышение кон- центрации ПАВ до 5 % уже не обеспечивает существен- ного эффекта. Нетрудно видеть, что описанная динами- ка впитывания представляет собой характерную для ПАВ концентрационную зависимость экстремального типа с максимумом при концетрации 1 %. Подобная кривая с тем же экстремумом была получена авторами и при исследовании гелеобразующих свойств данного об- разца. Контрольным параметром служил объем обра- зующегося геля при различном содержании компонен- тов и разных температурах. Анализ полученных данных показал, что добавление ПАВ к ПС улучшает гелеобразующие и термостабиль- ные свойства последнего. Так, при введении в полимер- ный состав ПАВ в количестве 1 % значительно (более чем в 2,5 раза) снижается концентрация хлористого кальция, соответствующая началу процесса гелеобразо- вания, а также на 10–15 % возрастают объем геля и его термостабильность. Исследования реологических свойств образцов поли- мерных составов проводились на автоматизированном ротационном вискозиметре Rheotest RN 4.1 в режиме плавного возрастания напряжения сдвига от 0 до 10 Па при температурах 20 °С (рис. 1) и 80 °C (табл. 1). Полученные кривые течения исследуемых полимер- ных растворов позволили оценить уровень критических напряжений сдвига и снизить их до требуемой величины путем введения в их состав ПАВ, что позволило устра- нить один из недостатков таких водоизоляционных ма- териалов – их низкую фильтруемость в пористую среду. Эффективность действия вводимого в полимерный со- став ПАВ, экстремальный характер концентрационной зависимости структурно-механических свойств от со- держания ПАВ и температуры однозначно указывают на объемный механизм действия ПАВ, который, блокируя электростатическое взаимодействие полимерных звень- ев, уменьшает неньютоновские аномалии раствора. Максимальный эффект – снижение критического на- пряжения сдвига на 96 % (см. табл. 1) – наблюдается при концентрации ПАВ 5%, при этом небольшие вариации концентрации ПАВ существенно снижают величину эф- фекта. Объемный механизм реализуется при превыше- нии критической концетрации мицеллообразования (концентрации ПАВ, равной 1 %), когда между молеку- лами усиливается коллективное взаимодействие, и они уходят в объем, формируя в итоге собственную про- странственную структуру. Другим важным следствием описанного эксперимента является установление типа надмолекулярной структу- ры. Наличие на всех кривых течения Ѕ–образных уча- стков с отрицательным углом наклона указывает на режим, характерный для упруго-вязких реологических тел, где снижение величины действующих напряжений сдвига приводит, напротив, к резкому увеличению ско- рости сдвига вследствие разрыва сплошности континиу- ма [4, 5]. Следует подчеркнуть, что исследование нали- чия тиксотропных свойств у полимерных составов не дало положительного результата, что также является подтверждением упруговязкого типа структуры. Прин- ципиально важным в рассматриваемом случае является следствие разрыва сплошности – создание прочной вяз- коупругой пробки в пористой среде, критическое напря- жение разрушения которой гораздо выше первоначаль- ных напряжений сдвига, отмечающихся при проникно- вении полимерного состава в образец горной породы. Этот эффект возникает из–за того, что действующие на- пряжения сдвига локализуются во входной зоне поро- вых каналов и не распространяются на всю их глубину. Весьма привлекательная идея использовать описан- ный эффект для внутрипластовой водоизоляции приве- ла к необходимости его количественной оценки при пла- стовых условиях, проведению микрореологических из- мерений в порах, размеры которых характерны для во- донасыщенных прослоев нефтяного объекта. Интерес представляли как величины критических напряжений сдвига, прочность надмолекулярной структуры на раз- ных стадиях процесса фильтрации, так и время ее фор- мирования и деструкции. Сканирование образцов по этим показателям в порах микронного масштаба проводилось на оригинальной установке, позволяющей измерять структурно-механи- ческие свойства флюидов в узких зазорах – плоских ка- пиллярах микронной величины [6]. Анализ результатов микрореологических исследований показал, что кон- тактное взаимодействие изучаемых растворов с поверх- ностью приводит к кратному усилению неньютоновских аномалий (рис. 2). По данным на рис. 2 можно выделить две фазы струк- турообразования в ПС+ПАВ – быструю и медленную. В течение первой происходит адсорбция ПАВ из жидко- сти на поверхности твердого тела. Далее формируется полимолекулярный граничный слой с аномально высо- кими структурно-механическими свойствами и толщи- ной, соизмеримой с размерами пор. По этой причине структурирующее действие поверхности может охваты- вать весь объем поры. Особенностью поверхностного взаимодействия яв- ляется его сильная зависимость от соотношения адге- Таблица 1 Изменение критического напряжения сдвига при температуре 20 0 C 80 0 C Концентрация ПАВ, % абсолют- ное, Па относитель- ное, % абсолют- ное, Па относитель- ное, % 0,1 1,8 25 -0,05 -2 1 6 84 1,35 61 5 6,85 96 1,77 80 10 6,35 89 1,57 71 15 4,75 67 0,7 32 Рис. 1. Кривые течения ПС и ПС с добавкой ПАВ при температуре 20 °С НЕФТЯНОЕ ХОЗЯЙСТВО 04’2014 65 Р АЗР АБО ТКА И ЭКСПЛУ А ТАЦИЯ НЕФТЯНЫХ МЕСТ ОРОЖДЕНИЙ зионно-когезионных сил в системе твердое тело – жид- кость. Процессы массопереноса, формирования гранич- ного слоя и структурирования поровой жидкости при данном уровне поверхностных сил протекают более ин- тенсивно в жидкости со слабым межмолекулярным взаимодействием и изолированными молекулами, что в итоге приводит к возникновению более плотно упако- ванной и прочной пространственной структуры. Менее структурированный в обычных условиях ПС+ПАВ в узком зазоре приобретает более выраженные вязкост- ные аномалии, чем полимерный состав без ПАВ. Толщи- на граничного слоя в первом случае составляет пример- но 1,2 мкм, что в поре размером 1,8 мкм приводит к ее полной структурно-механической кольматации. Анализ кривых течения исследуемого ПС+ПАВ в порах подобного размера подтверждает сделанные выше заключения об упруговязком типе надмолекуляр- ной структуры (рис. 3). Приведенная на рис. 3 кривая течения имеет ярковыраженные Ѕ-образные участки с отрицательным углом наклона, масштаб напряжений сдвига в данных и объемных (см. рис. 1) условиях отли- чается на 3 порядка. Очевидно, что в той же пропорции увеличивается в поре критическое напряжение сдвига, обеспечивая ее надежную изоляцию. Заключительным этапом лабораторного тестирования было проведение серии фильтрационных экспериментов на автоматизированной установке FDES–645 (Coretest Systems Corporation). Применялись естественные образ- цы терригенных пород с моделированием пластовых тер- мобарических условий. Опыты проводились в режиме «постоянный расход – меняющиеся перепады давления». Анализ полученных данных подтвердил корректность ранее сделанных заключений о характере надмолеку- лярной структуры изучаемых составов и их функцио- нальных свойствах. Фильтрационные исследования (рис. 4, табл. 2) показали, что добавление к исходному полимерному составу 1 % ПАВ на 50 % снижает гради- ент давления фильтрации водоизоляционного состава в пористую среду (после прокачки 1 порового объема) и на 11 % повышает остаточный фактор сопротивления. Таким образом, рассматриваемый образец водоизо- ляционного ПС с добавлением 1 % ПАВ по данным нескольких независимых методов исследования обла- дает улучшенными фильтрационными и водоизоли- рующими характеристиками. Список литературы 1. Газизов А.Ш., Газизов А.А. Повышение эффективности разработки нефтяных месторождений на основе ограничения движения вод в пла- стах. – М.: Недра, 1999. – 285 с. 2. Стрижнев К.В. Ремонтно–изоляционные работы в скважинах: Теория и практика. – Санкт–Петербург: Недра, 2010. – 560 с. 3. Рогачев М.К., Стрижнев К.В. Борьба с осложнениями при добыче нефти. – М.: Недра–Бизнесцентр, 2006. – 295 с. 4. Виноградов В.Г., Малкин А.Я. Реология полимеров. – М.: Химия, 1977. – 440 с. 5. Урьев Н.Б. Высококонцентрированные дисперсные системы. – М.: Химия, 1980. – 320 с. 6. Кондрашев О.Ф., Шарипов А.У. Модификация структурно–механиче- ских свойств полимеров в пористой среде. – М.: Геоинформак, 2000. – 56 с. References 1. Gazizov A.Sh., Gazizov A.A., Povyshenie effektivnosti razrabotki neftyanykh mestorozhdeniy na osnove ogranicheniya dvizheniya vod v plastakh (Im- proving the efficiency of oilfield development by limiting the movement of water in reservoirs), Moscow: Nedra Publ., 1999, 285 p. 2. Strizhnev K.V., Remontno-izolyatsionnye raboty v skvazhinakh: Teoriya i prak- tika (Squeeze job: Theory and Practice), St. Peterburg: Nedra Publ., 2010, 560 p. 3. Rogachev M.K., Strizhnev K.V., Bor'ba s oslozhneniyami pri dobyche nefti (Complication control during oil production), Moscow: Nedra–Biznestsentr Publ., 2006, 295 p. 4. Vinogradov V.G., Malkin A.Ya., Reologiya polimerov (Reology of polymers), Moscow: Khimiya Publ., 1977, 440 p. 5. Ur'ev N.B., Vysokokontsentrirovannye dispersnye sistemy (Highly concen- trated disperse systems), Moscow: Khimiya Publ., 1980, 320 p. 6. Kondrashev O.F., Sharipov A.U., Modifikatsiya strukturno–mekhanicheskikh svoystv polimerov v poristoy srede (Modification of the structural and me- chanical properties of polymers in a porous medium), Moscow: Geoinformak Publ., 2000, 56 p. Таблица 2 Состав Градиент давления фильтрации составов в пористую среду, МПа/м Остаточный фактор сопротивления ПС 28,6 3,9 ПС+ПАВ (1 %) 14,1 4,4 Рис. 2. Динамика вязкости образцов ПС и ПС+ПАВ(1 %) в узких зазорах Рис. 3. Кривая течения ПС+ПАВ(1 %) в узком зазоре (1,8 мкм) Рис. 4. Зависимость градиента давления фильтрации от прока- чанного объема пор образца породы (проницаемостью 0,008 мкм 2 ) для ПС и ПС+ПАВ(1 %) |