Способ селективной изоляции водопритока к добывающим нефтяным скважинам

Способ селективной изоляции водопритока к добывающим нефтяным скважинам

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относиться к нефтедобывающей промышленности, в частности к использованию гелеобразующих составов возникающих in-situ при введении полимер-коллоидных комплексов в продуктивный пласт через добывающие скважины.

В основе подавляющего большинства методов увеличения нефтеотдачи пластов лежит заводнение. Прорыв закачиваемых и пластовых вод по зонам с высокими фильтрационными характеристиками приводит к образованию промытых участков, через которые в дальнейшем фильтруется вода, обходя низкопроницаемые нефтесодержащие участки продуктивного пласта. При этом доля извлекаемой из пласта нефти снижается, а степень обводненности ее увеличивается.

Известны способы и применяемые реагенты для повышения нефтеотдачи пластов, сущность которых сводиться к закачиванию в пласт реагентов, образующих в высокообводненном пропластке гидроизолирующий экран, препятствующий проникновению воды в добывающие скважины [Манырин В.Н., Швецов И.А. Физико-химические методы при заводнении. РОИНГ. Самара. 2002].

Однако у большинства из них имеются существенные недостатки, такие как дороговизна используемых реагентов, ухудшение экологической обстановки в грунтовых и поверхностных водах, плохая технологичность и малая долговечность образованных защитных экранов. Прогрессивным методом селективной водоизоляции пластов является использование гелеобразующих составов органической, неорганической или смешанной органоминеральной природы.

Известны гелеобразующие составы на основе полиакриламида и сшивателей - солей трехвалентного хрома [пат. 2180039 РФ, кл. Е21В 43/22, 2002], для которых время гелеобразования предварительно рассчитывается по математической модели, описывающей поведение системы полиакриламид -хромокалиевые квасцы - минерализованная вода. Это время должно быть больше времени закачки композиции в скважину.

Однако при этом необходимо учитывать много параметров (молекулярная масса полиакриламида, степень его гидролиза, концентрации полимера и сшивателя, температура и рН среды, пористость и проницаемость породы и др.), определить кинетические параметры процесса гелеобразования. Кроме того, недостатком состава является присутствие в нем солей хрома, являющихся высокотоксичным компонентом.

Известны способы добычи нефти с проведением изоляционных работ с помощью смеси раствора полиакриламида и сшивателя - соли алюминия [Сургучев М.Л. и др. Методы извлечения остаточной нефти. М.: Недра. 1993]. Соли алюминия дешевы и экологичны, однако скорость сшивки полиакриламида алюминием гораздо выше, чем сшивка хромом, что приводит к сложности регулирования времени гелеобразования. Кроме того, для обоих составов характерен еще один недостаток: высокая солевая и механическая деструкция полиакриламида, что приводит к снижению прочности геля и быстрому вымыванию его из пропластка.

Известен неорганический гель, используемый для гидроизоляции промытых зон пласта: а именно, гель гидроксида алюминия, который образуется при взаимодействии с пластовой водой сульфата алюминия [Ибрагимов Г.Э, Хисамутдинов Н.И. Справочное пособие по применению химических реагентов в добыче нефти. М.: Недра. 1983] или при закачке в пласт алюмосодержащих отходов [А. с.1550107 СССР, кл. Е21В 43/22].

Однако образующийся гель обладает малой прочностью и адгезией к породе пласта и вследствие этого недостаточно эффективен. Известен способ разработки нефтяных месторождений путем его заводнения с закачкой водного раствора хлорида или нитрата алюминия, при этом к раствору добавляют карбамид [Заявка 93007659 РФ, 1995]. Вместо солей алюминия предложено использовать также алюмосодержащие отходы нефтехимических производств [Пат. 2120544 РФ, кл. Е21В 43/22, 1998].

Однако способ требует строгой последовательности технологических приемов, сопровождается выделением большого количества тепла и газообразного хлористого водорода и недостаточно эффективен. Кроме того, использование алюмосодержащих отходов химических производств несет в себе опасность загрязнения пластовых и поверхностных вод высокотоксичными органическими веществами.

Наиболее близким к предлагаемому является способ, в котором для изоляции водопритока к скважинам используется состав, содержащий хлористый алюминий с концентрацией 0,4-17,0 мас., карбамид с концентрацией 1,5-30,0 мас., полиакриламид с концентрацией 0,5-2,5 мас., так чтобы вязкость состава была не менее η>10·10^-3 Па·с, и воду до 100%. Исходный состав закачивают в промытые зоны пласта, где под действием высокой температуры образуется гель гидроксида алюминия, вязкость среды при этом возрастает, что приводит к «затуханию» фильтрации флюида через высокопористую зону (Пат. 2076202 РФ, кл. Е21В 49/22, опубл.27.03.97.)

К недостаткам данного способа относятся следующие:

во-первых, реакция гидролиза карбамида, приводящая к повышению рН раствора и образованию геля гидроксида алюминия протекает при 90°С. Известно также, что снижение температуры на каждые 10°С приводит к увеличению времени гелеобразования в 2-3 раза. Даже 36 часов, предусмотренных в данном способе для образования геля, являются большим периодом, в течение которого скважина должна быть выведена из основного технологического цикла;

во-вторых, исходная закачиваемая композиция имеет рН 3,4 и в случае карбонатного коллектора может привести к нарушению протолитического равновесия в породе пласта и негативным последствиям в проницаемости и фильтрационных характеристиках последнего;

в-третьих, образующийся гель гидроксида алюминия является полидисперсной системой с невысоким и неравномерным сцеплением с породой пласта, введение же полиакриламида хотя и способствует улучшению адгезионных характеристик, однако в целом возникающая система является свободно-дисперсной и способна к постепенному вымыванию из коллектора нагнетаемой или пластовой водой;

в-четвертых, гидроизолирующий эффект данной композиции является недостаточно высоким, о чем говорят данные по перераспределению потоков нагнетаемой воды через заполненные керновым материалом колонки до и после их обработки предлагаемым составом. Максимальная достигаемая величина составляет 55 при очень высоком содержании композиции в растворе (30% карбамида, 17% AlCl₃ и 2,5% полиакриламида), что является экономически не выгодно. При меньших содержаниях реагента (19,1% и 2,4%) фильтрация воды снижается всего в 8-12 раз.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение нефтеотдачи пластов за счет снижения обводненности добываемой продукции путем селективной изоляции водопритока в добывающих скважинах.

При реализации предлагаемого способа получают следующий технический результат:

во-первых, гелеобразующая композиция на основе пентагидроксохлорида алюминия (ПГХА) имеет более высокое значение рН (4,5-5,5) по сравнению с композициями на основе хлорида алюминия (рН 3,4), поэтому будет оказывать меньшее негативное влияние на карбонатный коллектор и малое коррозионное воздействие на оборудование добывающих скважин;

во-вторых, устойчивый долгоживущий гель образуется при относительно невысоких температурах (70°С и менее) за относительно короткий промежуток времени (6-8 часов), достаточный для достижения исходного раствора изолируемых зон коллектора;

в-третьих, при взаимодействии ПГХА с полиакриламидом в исходном растворе практически мгновенно образуется полимер-коллоидный комплекс (ПКК), а вводимый в процессе приготовления исходного раствора карбамид не влияет на данный процесс. Образующийся же гомогенный раствор имеет невысокую вязкость (˜20 мПа·с) и легко закачивается в скважину обычным насосным оборудованием;

в-четвертых, гидролиз карбамида и вызываемый им гидролиз соли алюминия происходит по обычному механизму в пластовых условиях [Алтунина Л.К., Кувшинов В.А. Неорганические гели для увеличения нефтеотдачи пластов с высокой температурой / Нефтяное хозяйств. 1995. №4, с.36-38], однако в системе уже присутствует гель полимер-коллоидного комплекса, в результате чего возникает устойчивая дисперсная система «гель в геле»(комбинированный гель), отличающаяся высокой прочностью и стойкостью к вымыванию;

в-пятых, комбинированный гель отличается высокой гидрофильностью и сродством к водонасыщенным пропласткам, что приводит к прочному закреплению его на этих участках, одновременно он обладает малой адгезией к низкопроницаемым нефтенасыщенным слоям пласта и практически не изменяет их проницаемость, что определяет селективный эффект данной композиции, приводящий к повышению нефтеотдачи пласта.

Поставленный технический результат достигается тем, что в способе селективной изоляции водопритока к добывающей нефтяной скважине закачиванием гелеобразующего состава, полученного смешением полиакриламида, карбамида, соли алюминия и воды, в качестве соли алюминия используют пентагидроксохлорид алюминия, а указанное смешение осуществляют путем введения карбамида в полимер-коллоидный комплекс, полученный смешением водного раствора полиакриламида с водным коллоидным раствором пентагидроксохлорида алюминия при следующем соотношении компонентов в мас.%:

пентагидроксохлорид алюминия	3-6
полиакриламид	0,25-0,5
карбамид	7-14
вода	остальное

Указанный состав в пластовых водах превращается в комбинированный гель, в котором амфотерный гель гидроксида алюминия распределен в сетчатой структуре геля полимер-коллоидного комплекса, что приводит к его упрочнению и стойкости к вымыванию из водонасыщенной зоны пласта.

Селективность изоляции достигается за счет того, что в водонасыщенной части коллектора происходит закрепление образовавшегося долгоживущего геля, а из нефтенасыщенной части практически весь гель вымывается. При этом создаются условия для работы скважины с повышенными депрессиями, что способствует более полному извлечению нефти.

Полимер-коллоидный комплекс получают путем смешения 0,1-1% водного раствора полиакриламида с водным коллоидным раствором пентагидроксохлорида алюминия при мольном отношении Al³⁺: звено полиакриламида равном (2-4):1 при температуре 20-30°С. Причиной образования полимер-коллоидного комплекса является межмолекулярное взаимодействие полимерных гибких цепей полиакриламида с поверхностью коллоидных частиц пентагидроксохлорида алюминия. Прочность подобных комплексов объясняется кооперативным (суммированным) характером такого взаимодействия и связана с полимерной природой частиц пентагидроксохлорида алюминия. В отличае от него другие соли алюминия или низкоосновные хлориды алюминия не способны к образованию прочных поликомплексов [Новаков И.А., Радченко Ф.С., Паписов И.М. / Высокомолекулярные соединения. 2003. т.4б. №8. с.1340].

Высокая устойчивость и селективность изоляции водопритока предлагаемого геля объясняется комбинированным характером гелеобразования, заключающегося в том, что при приготовлении исходной композиции при смешивании водных растворов ПГХА и полиакриламида практически мгновенно возникает полимер-коллоидный комплекс, представляющий собой дисперсную систему с равномерно распределенной макромолекулярной сеткой физических связей - гель. В силу малой концентрации дисперсной фазы гель обладает текучестью и невысокой вязкостью, не препятствующей доставке его к водонасыщенным зонам пласта. В пластовых условиях за счет повышения рН при гидролизе карбамида, присутствующего в составе композиции, образуется аморфный гель гидроксида алюминия. При этом природа физических связей частиц гидроксида алюминия с макромолекулами полиакриламида остается та же. В результате возникает упрочненная структура «гель в геле». За счет высокой гидрофильности фрагментов полимер-коллоидного комплекса (гидроксидные группы алюминия и амидные группы полиакриламида) гель прочно закрепляется на поверхности породы в водонасыщенной части пласта и, напротив, обладает малой адгезией к нефтенасыщенным зонам пласта, что и определяет его селективность в изоляции водопритока.

При этом, чем более насыщен водой пласт, тем прочнее закрепляется в нем гель, в связи с чем требуется варьирование концентрации гельобразующих компонентов в составе закачиваемой композиции. В более проницаемых участках с большим водонасыщением в составе должно быть до 6 мас.% пентагидроксохлорида алюминия и до 14 мас.% карбамида. В низко проницаемых зонах, исходя из экономических соображений, достаточно использовать состав с 3 мас.% пентагидроксохлорида алюминия и 7 мас.% карбамида (пример 4). Количество полиакриламида определяется его мольным отношением к соли алюминия, которое должно составлять 1:2, что выражается в массовом содержании как 0,25-0,5%.

Пример 1

В этом примере обусловлено влияние природы соли алюминия на микроструктуру аморфного геля гидроксида алюминия, образующегося при гидролизе соли алюминия в присутствии карбамида. Способность геля к водоизоляции пластов зависит от их микроструктуры, т.е. от формы, размеров и взаиморасположения коллоидных частиц гидроксида алюминия, а также от толщины разделяющих их жидких прослоек. При больших расстояниях и высокой полидисперсности частиц геля в системе возникают малопрочные структуры, способные к пептизации и синерезису, что скажется на долговечности геля и его фильтрационных характеристиках при течении флюидов через промытые участки нефтепласта. В связи с этим был исследован дисперсный состав геля гидроксида алюминия с помощью моторизованного микроскопа Olimpus-BX-61c в проходящем свете с фиксацией микроструктуры с помощью цифровой камеры микроскопа ДП-12. Определение размеров, числа и формы частиц проводили прямым измерением с помощью программного обеспечения Analysis методом счета. Для расчета дисперсионных характеристик гелей гидроксида алюминия использовали формулы:

средний размер частиц для каждой фракции:

где х - цена деления сетки;

m - целое число делений для данной фракции.

Основные гидродинамические характеристики:

среднечисловой радиус:

среднемассовый радиус:

где n_i - число частиц данной фракции с радиусом r_i;

Σn_i - суммарное число частиц в системе.

Для монодисперсной системы r_n=r_m,

для полидисперсной системы r_n>r_m,

коэффициент полидисперсности K_n=r_n/r_m.

На фиг.1, 2 приведены микрофотографии структуры геля гидроксида алюминия, образующегося при гидролизе ПГХА (Фиг.1) и AlCl₃ (Фиг.2), а в таблице 1 представлены дисперсионные характеристики гелей.

Таблица 1Дисперсионные характеристики исследуемых гелей, образованных при гидролизе соли алюминия в присутствии карбамида (КА)
Соль Al	гп·106,м	гm·106,м	Коэффициент полидисперсности	Наиболее вероятный размер, гп·106, м
ПГХА	17,6	18,0	0,98	22,5
AlCl3 (прототип)	15,6	22,8	0,68	22,4

Как следует из представленных данных, гели, полученные из ПГХА приближаются к монодисперсным и имеют более плотную упаковку частиц дисперсной фазы, чем гели на основе AlCl₃.

Пример 2

В этом примере обусловлена зависимость фильтрационной способности модели пласта от состава гелеобразующей композиции, в которой в условиях пласта при повышенных температурах и рН протекают физико-химические процессы, сопровождающиеся образованием дисперсной системы гидроксида алюминия в результате гидролиза соли алюминия - пентагидроксохлорида алюминия в соответствии с уравнением:

Al₂(ОН)₅Cl+Н₂O→2Al(ОН)₃↓+HCl

Водоизоляционные свойства гелей гидроксида алюминия были исследованы на насыпной модели пласта в виде слоя кварцевого песка, как одного из природных пластов терригенных осадочных пород, входящих в состав нефтенасыщенных коллекторов. В качестве основного параметра, оценивающего влияние на водоизоляционные свойства гелей гидроксида алюминия была использована проницаемость. Проницаемость - способность пористого тела, пронизанного множеством капилляров, пропускать через себя жидкости, в данном случае воду. Исследование водоизоляционных свойств гелей гидроксида алюминия проводили в стеклянной колонке с обогреваемой рубашкой, в которой с помощью термостата поддерживали необходимую температуру. Песок предварительно фракционировали с помощью сит и использовали фракцию с размером зерен 0,32 мм. Все эксперименты проводили при температуре пласта Т=75°С. В колонку заливали раствор композиции и после образования геля во всем объеме колонки снизу через кран отбирали воду в измерительный цилиндр, одновременно подавая воду в колонку сверху через капельную воронку со скоростью, обеспечивающей постоянный уровень жидкости над песком.

Фильтрация воды через модели с гелем подчиняется известному соотношению для вязкопластических тел с предельным (начальным) градиентом давления G:G=ατ_s/(k)^0.5, где

α - безразмерная константа;

k - проницаемость пористой среды.

Частицы геля гидроксида алюминия способны перемещаться в пористой среде (кварцевом песке) и, следовательно, принимать участие во всех гидродинамических процессах, происходящих в пласте.

Так как процесс водоизоляции осуществляется в пористой среде пласта, то гель гидроксида алюминия, являющийся тиксотропным псевдопластическим телом коагуляционной структуры, снизит фазовую проницаемость породы по жидкости за счет адсорбции частиц геля в пористой среде.

В таблице 2 приведено время истечения воды через засыпку, обработанную различными композициями.

Таблица 2Фильтрационные характеристики модели пласта, обработанной различными композициями.
Композиции	Время фильтрации воды через необработанную модель, мин	Время фильтрации воды через обработанную модель после образования геля, мин	Проницаемость модели, мкм2
ПГХА+КА+ПАА	1,1	94	6,54
AlCl3+КА+ПАА (прототип)	1,0	20	30,76

Из данных таблицы следует, что время фильтрации воды чрез слой кварцевого песка после образования в нем геля резко увеличивается. Для AlCl₃ скорость фильтрации падает в 20 раз, для ПГХА же - в 96 раз. Коэффициент проницаемости среды снижается соответственно в 20 раз для геля на основе AlCl₃ и в 85 раз - для ПГХА.

Пример 3

В этом примере обусловлена зависимость устойчивости геля от времени эксплуатации. Условия эксперимента аналогичны примеру 2. Образовавшийся гель из композиции (ПГХА+КА+ПАА) выдерживали в модельной установке в течение длительного времени (45 дней) в стационарном состоянии, периодически пропуская через засыпку воду и измеряя скорость ее течения (таблица 3).

Таблица 3Результаты исследования устойчивости геля во времени.
Количество дней после образования геля из композиции (ПГХА+КА+ПАА)	3	6	9	12	22	26	35	37	40	45
Время истечения 100 см3 воды через обработанную модель, час	1,5	2,5	6,3	7,2	7,5	7,7	8,1	8,2	8,4	8,5

Из данной таблицы следует, что в геле не происходят разрушающие его процессы (синерезис или пептизация), гель упрочнятся, а изолирующие свойства его возрастают.

Пример 4

В этом примере обусловлено экспериментальное исследование гелеобразующих составов для селективной водоизоляции. Состав композиции: ПГХА - 3,0 мас.%, КА - 7,0 мас.%, ПАА - 0,25 мас.% вода - 89,75%. Исследования влияния гелеобразующих растворов на проницаемость породы, насыщенной пластовыми флюидами (нефть, пластовая вода), проводились на установке УИПК. Для проведения исследований были отобраны образцы из добывающих скважин месторождений с карбонатным коллектором. Предварительная подготовка (экстрагирование, сушка) осуществлялась согласно с ОСТ 39-195-86. Керновый материал был разделен на две группы для моделирования водонасыщенной и нефтенасыщенной зоны пласта.

В качестве пластовых флюидов использовалась вода и нефть, отобранные из отложений верхнего девона в вышеуказанных скважинах. Подготовка пластовых флюидов осуществлялась согласно с ОСТ 39-235-89. При проведении экспериментальных исследований моделировались термобарические условия: пластовое давление 31 МПа и температура 76°С. Подготовка образца проводилась путем насыщения его пластовой жидкостью (нефть или пластовая вода) для моделирования одной из зон с последующим замером основных емкостных параметров (пористости и объема пор). Определялась абсолютная проницаемость по исследуемому флюиду при поддержании пластовых условий. Затем в водо - или нефтенасыщенный образец осуществлялась закачка гелеобразующей композиции в виде 10%-ного водного раствора при избыточном давлении 10-15 МПа в количестве одного порового объема с последующей выдержкой в течение 24 часов при поддержании пластовых давлении и температуры, после чего проводился замер проницаемости по пластовой жидкости (нефть или вода). На заключительном этапе определялась устойчивость геля к вымыванию из породы путем обратной прокачки исходной пластовой жидкости (нефть или вода) 10-15 поровых объемов керна с последующим замером проницаемости по данному флюиду в прямом направлении.

При осуществлении процесса промывки (устойчивость геля к вымыванию) перепады давления составляли на нефтенасыщенных образцах 18,8-21,9 МПа, а на водонасыщенных 0,5-1,1 МПа, что обусловлено составом пластовых нефтей, взятых для испытаний, как высокосмолистые и высокопарафинистые. Результаты экспериментальных исследований приведены в таблице 4 (№ образцов 1 и 1а).

Таблица 4Результаты экспериментальных исследований влияния состава гелеобразующей композиции на фильтрационные свойства породы нефтенасыщенного пласта.
Номер образца	Пласт	Глубина отбора керна, м	Состав ком-пози-ции, мас.%	Пористость Кп, %	Моделируемая зона насыщения	Коэффициент проницаемости Кпр, 10-3 мкм2	Перепад давления при "промывке", ΔР МПа	*Эффект гидроизоляции, %
исходная	после закачки геля	после вымывания геля
1А	D3fm-III	2337,0-3237,2	ПГХА-3КА-7 ПАА - 0,25 вода - ост.	13,1	водонасы-щенная	33,640	0,034	0,084	1,1	99,90/99,75
1	10,22	нефтенасы-щенная	0,060	0,014	0,045	27,5	76,6/25,00
2А	3293,0-3293,8	ПГХА-6КА-14 ПАА-0,5 вода - ост.	16,1	водонасы-щенная	939,34	0,098	0,147	0,5	99,99/99,98
2	14,8	нефтенасы-щенная	28,31	0,13	0,19	1,4	99,5/99,30
*в числителе - после закачки гелеобразующей композиции; в знаменателе - после «вымывания» геля

Пример 5.

Проводится аналогично примеру 4, но с составом композиции ПГХА - 6,0 мас.%, КА - 14,0 мас.%, ПАА - 0,5 мас.% вода - остальное. Результаты исследования приведены в таблице 4 (№ образцов 2 и 2а).

Экспериментальные данные, приведенные в таблице 4, показали существенное снижение проницаемости по воде при обработке как низкопроницаемой (1 и 1а), так и высокопроницаемой (2 и 2а) породы гелеобразующей композицией (по отношению к исходной в 1000 раз). Гелеобразующий состав на основе хлорида алюминия - карбамид - полиакриламид (прототип) снижает проницаемость по воде в 12-55 раз. Анализ способности удержания геля в породе показал незначительное увеличение проницаемости в 1,5-2,5 раза, на основании чего можно сделать вывод о хорошей устойчивости геля к вымыванию.

В конечном итоге обработка водонасыщенной зоны составом: ПГХА - 3-6 мас.%, КА - 7-14 мас.%, ПАА - 0,25-0,5 мас.%, остальное вода, дает снижение проницаемости в результате кольматации в 400 раз, т.е. эффект гидроизоляции составляет 99,3%.

Способ селективной изоляции водопритока к добывающей нефтяной скважине закачиванием гелеобразующего состава, полученного смешением полиакриламида, карбамида, соли алюминия и воды, отличающийся тем, что в качестве соли алюминия используют пентагидроксохлорид алюминия, а указанное смешение осуществляют путем введения карбамида в полимер-коллоидный комплекс, полученный смешением водного раствора полиакриламида с водным коллоидным раствором пентагидроксохлорида алюминия, при следующем соотношении компонентов, в мас.%:

пентагидроксохлорид алюминия	3-6
полиакриламид	0,25-0,5
карбамид	7-14
вода	остальное