способ изоляции водопритока к добывающим нефтяным скважинам

Формула изобретения

Способ изоляции водопритока к добывающим нефтяным скважинам, включающий закачивание гелеобразующего состава, полученного смешением пентагидроксохлорида алюминия, карбамида и водного раствора полимера, а смешение осуществляют путем введения карбамида в полимер-коллоидный комплекс, полученный смешением водного коллоидного раствора пентагидроксохлорида алюминия с 0,2-0,3 мас.%-ным водным раствором полимера, отличающийся тем, что в качестве полимера используют слабозаряженный катионный полиэлектролит с молекулярной массой 6·10⁶-20·10 ⁶ и содержанием катионных групп от 1,65 до 9,20 мол.%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к использованию гелеобразующих составов, создающих водоизолирующий экран в высокопроницаемых промытых зонах пласта, препятствующих проникновению воды в добывающие скважины.

Обычно в качестве компонентов гелеобразующих составов используют неорганические соли, кислоты и основания (соли хрома и алюминия, силикат натрия и др.), реагирующие «in situ» со щелочными реагентами с образованием гелеобразных осадков, снижающих фазовую проницаемость по воде [Сургучев Н.А. Методы извлечения остаточной нефти. М.: Недра. 1993; Мамырин В.Н., Швецов И.А. Физико-химические методы при заводнении. Самара. РОИНГ. 2002].

Ограничивая водоприток, указанные гелеобразные осадки характеризуются невысокими реологическими свойствами, в силу чего имеют недостаточную эффективность и малую долговечность. Улучшение эксплуатационных свойств гелей достигается за счет введения специальных добавок - ПАВ, полиглицеринов и водорастворимых полимеров [Патент СССР 1654554, МКИ Е21В 43/22, опубл. 1998; Ж. Нефтепромысловое дело. 2002. № 4, с.11; Алтунина Л.К., Кувшинов В.А. Физико-химические технологии увеличения нефтеотдачи (обзор). Химия в интересах устойчивого развития. 2001. № 9. С.331]. Однако во всех этих случаях возникающий при определенных условиях гелеобразный осадок представляет собой свободнодисперсную систему с размерами частиц 20-25 мкм и характеризуется невысоким статическим сопротивлением сдвига, следствием чего является относительно быстрое вымывание его из каналов и трещин в пласте.

Улучшение свойств гелеобразующих композиций можно достичь за счет введения в их состав водорастворимых полимеров и сшивающих их солей хрома и алюминия.

Известен способ разработки неоднородного пласта путем закачки в него дисперсии частиц полимера и сшивающего агента, в качестве которого используют соли поливалентного металла [Патент РФ 2167981, МКИ Е21В 43/22. Опубл. 2001]. В результате реакции между компонентами возникает химически сшитая полимерная система, обладающая повышенной прочностью.

Однако такая система исключает возможность удаления при необходимости гелеобразной композиции из ствола скважины в случае преждевременного образования сшитого гидрогеля. Кроме того, происходящее со временем окисление солей хрома в высокотоксичную форму Cr⁺⁶ ограничивает практическое применение данной композиции по экологическим обстоятельствам.

Известен способ разработки неоднородного пласта закачкой в него частиц гидрогеля, образованного при внутримолекулярной сшивке полиакриламида и эфира целлюлозы полиоксихлоридом алюминия, что сопровождается изменением фильтрационных характеристик неоднородного пласта и повышением технологичности и экологичности способа [Патент РФ 2298088, МКИ Е21В, С09K, опубл. 2007].

Недостатком способа является закачивание в нагнетающую скважину не раствора реагента, а суспензии порошка полимера и раствора полиоксихлорида алюминия, в результате чего возникает свободнодисперсная система с широким набором различных по размеру частиц от 0,1 до 5,0 мкм, действие которой сводится к механическому закупориванию каналов определенного размера без выраженной селективности к водонасыщенным зонам пласта. Кроме того, данный способ относится к нагнетательным скважинам, предназначен для выравнивания профиля и увеличения охвата пласта заводнением и не влияет на обводненность добывающих скважин.

Известен способ регулирования разработки неоднородного пласта последовательной закачки в него оторочек пресной воды, водного раствора гидроксохлорида алюминия, щелочного реагента, пресной воды и водорастворимого полимера - полидиметилдиаллиламоний хлорида [Патент РФ 2224092, МКИ Е21В 43, опубл. 2004].

Недостатком способа является то, что образующийся гелеобразный осадок представляет собой свободнодисперсную систему с невысокой прочностью, о чем свидетельствует падение вязкости геля с 4,5 Па·с до 0,2 Па·с при небольшом напряжении сдвига - 10 Па. Способ предполагает раздельную закачку реагентов, при которой процесс их смешения в скважине становится неконтролируемым, а используемый полимер, выполняющий роль флокулянта, в таких условиях не может гарантировать образование равномерного и плотного осадка. Кроме того, данный способ предназначен для увеличения охвата пласта заводнением и непосредственно не влияет на обводненность добывающих скважин.

Наиболее близким к предлагаемому является способ, в котором для изоляции водопритока к добывающим нефтяным скважинам осуществляют закачивание гелеобразующего состава, содержащего водный раствор пентагидрохлорида алюминия, водный раствор полиакриламида и карбамид. При этом компоненты смешивают в соотношенях, мас.%:

Пентагидрохлорид алюминия	3-6
Полиакриламид	0,25-0,50
Карбамид	7-14
Вода	Остальное

[Патент РФ 2348792, МКИ Е21В 33/138, опубл. 2009].

Полученный при смешении раствор закачивают в промытые зоны пласта, где под действием температуры образуется гель гидроксида алюминия, снижающий фазовую проницаемость породы по воде, незначительно изменяя при этом проницаемость по нефти, обеспечивая таким образом селективность действия.

К недостаткам данного способа относятся следующие:

Во-первых, используемый в данной композиции полиакриламид характеризуется относительно невысокой молекулярной массой (1÷2·10⁶) и отличается малой стойкостью к гидролизу. Уже в процессе полимеризации акриламида получаемый товарный продукт полиакриламид содержит в своем составе небольшое количество карбоксильных групп [Абрамова Л.Н., Байбурдов Т.А., Григорян Э.П. и др. Полиакриламид. Под ред. В.Ф.Куренкова. М.: Химия. 1992]. В разбавленных же водных растворах содержание их возрастает и «неионогенный» (по торговым маркам) полиакриламид становится слабоанионным. В то же время показано, что взаимодействие пентагидроксохлорида алюминия с анионными полиэлекролитами приводит к образованию нерастворимых поликомплексов [Новаков И.А., Радченко Ф.С., Озерин А.С., Рыбакова Е.В. Известия ВолгГТУ. Межвуз. сб. Сер. химия и технология элементорганических мономеров и полимерных материалов. В.5. 2008. № 1. С.150] не пригодных к использованию в качестве гидроизолирующей гелеобразующей композиции.

Во-вторых, молекулярная масса использованного поликриламида является относительно невысокой, в то же время она играет большую роль в процессах образования гелей коагуляционной структуры, при этом чем она выше, тем меньшая требуется дозировка полимера и тем прочнее сетка межмолекулярных связей.

В-третьих, использование данной композиции на основе полиакриламида приводит к «снижению фазовой проницаемости» воды к добывающим скважинам, однако фильтрация воды полностью не прекращается и может привести к постепенному вымыванию геля и снижению фильтрационной стойкости гидроизолирующего экрана, т.е. снижению долговечности гелевой композиции.

Задачей данного изобретения является увеличение нефтеотдачи пластов за счет снижения обводненности добываемой продукции путем изоляции водопритока к добывающим скважинам при использовании гелеобразующей композиции с улучшенными технологическими свойствами, а также расширение сортимента водорастворимых полимеров, пригодных к использованию в данной композиции.

При реализации предлагаемого способа получают следующий технический результат:

во-первых, композиция на основе пентагидроксохлорида алюминия (ПГХА), карбамида (КА) и водорастворимого полимера образует устойчивый структурированный гель в широком интервале пластовых температур (65÷85°С), обладающий «запирающим эффектом» в поровом пространстве терригенного пласта по отношению к воде и вызывает прекращение фильтрации воды по высокопроницаемым зонам к добывающим скважинам;

во-вторых, для приготовления рабочего раствора композиции перед закачкой в скважину используют водорастворимый полимер, представляющий собой высокомолекулярный слабозаряженный катионный полиэлектролит (СКПЭ) с катионным зарядом от +1,65 до +9,20 мол.%, проявляющий высокую адгезию к терригенным породам пласта в водопроницаемых зонах;

в-третьих, в качестве СКПЭ используют широко применяемые и выпускаемые отечественными и зарубежными производителями т.н. высокомолекулярные флокулянты («суперфлокулянты») с широким набором специфических свойств, что позволяет провести оптимизацию состава композиции с учетом особенностей пород нефтенасыщенных коллекторов;

в-четвертых, исходный раствор композиции может быть приготовлен на любой воде (природной, технической, подтоварной, пластовой) с содержанием солей до 40 г/л и имеет близкую к нейтральной реакцию среды (рН 5,5-7,0), не оказывающей негативного коррозионного влияния на металлическое оборудование скважин;

в-пятых, использование высокомолекулярных СКПЭ с молекулярной массой 6·10⁶-20·10⁶ обуславливает высокую степень кооперативных связей в полимер-коллоидном комплексе и связанную с этим высокую прочность образующегося из него («in situ») структурированного геля.

Поставленный технический результат достигается в способе изоляции водопритока к добывающим скважинам закачиванием гелеобразующего состава, полученного смешением пентагидроксохлорида алюминия, карбамида и водного раствора полимера, при этом смешение осуществляют путем введения карбамида в полимер-коллоидный комплекс, полученный смешением водного коллоидного раствора пентагидроксохлорида алюминия с 0,2÷0,3 мас.%-ным водным раствором полимера, а в качестве полимера используют слабозаряженный катионный полиэлектролит с молекулярной массой 6·10⁶-20·10⁶ и содержанием катионных групп от 1,65 до 9,20 мол.%.

Указанный способ обеспечивает образование в водонасыщенной зоне пласта структурированного геля, в котором неорганический амфотерный гель гидроксида алюминия, усиленный за счет связей дисперсных частиц с макромолекулами полиэлектролита, распределяется в поровом пространстве породы, не только снижая его фазовую проницаемость по воде, но практически полностью прекращает фильтрацию воды, т.е. обладает «запирающим эффектом».

Механизм образования полимер-коллоидного комплекса (ПКК), возникающего в исходном растворе при смешивании пентагидроксохлорида с раствором полиэлектролита, состоит в межмолекулярном взаимодействии коллоидных частиц гидроксида алюминия с макромолекулами полимера за счет нековалентных связей различной природы (гидрофобных, донорно-акцепторных, водородных). При этом наиболее дальнодействующие - ионные в зависимости от знака заряда (разноименные или одноименные) будут усиливать это взаимодействие или противодействовать ему. Взаимодействие положительно заряженных коллоидных частиц ПГХА с отрицательно заряженными макромолекулами (полианиониты) является очень сильным, приводит к резкой компактизации макромолекул и потере их сродства к растворителю в воде. Результатом является образование прочных, но нерастворимых поликомплексов. Взаимодействие этих же частиц с положительно заряженными макромолекулами (поликатиониты) приводит к противоположному эффекту - отталкиванию одноименно заряженных частиц и макромолекул полимера, в результате которого образование ПКК становится невозможным. Характерной особенностью данных ПКК является то, что для их получения используют катионоактивные полиэлектролиты с молекулярной массой (6·10⁶-20·10 ⁶) и содержанием катионных групп от +1,65 до +9,20% мольных, предпочтительно, используют сополимеры акриламида - слабозаряженные с содержанием катионных групп от +1,65 до +9,20 мол.%). При высокой молекулярной массе таких полимеров (6·10⁶-20·10 ⁶) и редком расположении катионных групп в полимерной цепи в последней присутствуют протяженные участки без ионогенных групп, которые образуют нековалентные связи с поверхностью коллоидных частиц ПГХА. Образовавшийся ПКК, имеющий в своем составе положительно заряженные группы, обладает высоким сродством к отрицательно заряженной поверхности кремнезема, входящего в состав терригенных пород. Следствием этого является повышенная адгезия структурированного геля к породе, обуславливающая его устойчивость к вымыванию из трещин и пор пласта.

Пример 1. В этом примере обусловлено влияние вида полиэлектролита на его адсорбционные свойства по отношению к кремнезему. В качестве материла, содержащего кремнезем (SiO₂), используют кварцевый песок, специально обработанный по методике [Персиянцев М.Н., Кабиров М.М., Ленченкова Л.Е. Повышение нефтеотдачи неоднородных пластов. Оренбург. Оренбургское книжное изд-во. 1999] и фракционированный (0,30-0,40 мкм).

Растворы полимеров различной концентрации в объеме 100 см³ заливают в конические колбы с 20 г кварцевого песка и помещают на встряхиватель.

Периодически из колб отбирают пробы растворов, осветляют на центрифуге (n=6000 с^-1) и измеряют вязкость на капиллярном вискозиметре. Пробы отбирают до постоянного значения вязкости, т.е. до наступления статического адсорбционного равновесия. Предварительно строят калибровочные графики зависимости вязкости от концентрации для каждого испытуемого сополимера. На основании этих графиков определяют остаточную концентрацию полимера в растворе после адсорбции и величину адсорбции:

где А - показатель адсорбции полимера, мг/г;

С_о - исходная концентрация полимера, г/дл;

С - концентрация после адсорбции, г/дл;

V - объем раствора, л;

m - масса кварцевого песка, г.

На чертеже представлены зависимости адсорбции от концентрации полимеров в растворе: 1 - Praestol 851BC, 2 - ПАА, 3 - Superfloc/V 300 LMW, из которых следует, что максимальной скоростью адсорбции и предельным ее значением обладает слабокатионный сополимер Praestol 851 ВС. Неионогенный же ПАА и анионактивный Superfloc/V 300 LMW значительно уступают ему по адсорбционным свойствам.

Пример 2. В этом примере обусловлено влияние концентрации СКПЭ в составе композиции на ее гидроизолирующие свойства. В качестве СКПЭ применяют Praestol 851BC, имеющий высокую молекулярную массу и небольшой катионный заряд +6,9 мол.%. В качестве модели пласта используют кварцевый песок, обработанный по примеру 1, который засыпают на пористое дно стеклянной колонки с рубашкой, обогреваемой от внешнего термостата.

В колонку на кварцевый песок заливают раствор композиции в количестве 1 порового объема насыпной модели и выдерживают при заданной температуре до образования геля во всем объеме модели. Для определения времени гелеобразования параллельно в стеклянных пробирках нагревают аналогичные по составу композиции, фиксируя визуально (по потере текучести) момент перехода раствора в гель. После образования геля в колонку сверху подают воду из капельной воронки, поддерживая ее постоянный уровень над поверхностью песка, одновременно отбирая воду снизу колонки в мерный цилиндр.

В качестве основного параметра, оценивающего водоизоляционные свойства модели, обработанной композицией, используют проницаемость.

Коэффициент проницаемости:

где Q - расход воды, проходящей через насыпную модель (м³·с^-1);

L - высота слоя модели (м);

µ - вязкость воды (Па·с);

p - перепад давления в слое модели (Па);

S - площадь поперечного сечения насыпной модели (м² ).

Эффект гидроизоляции рассчитывают по формуле: , %

где k_o - проницаемость модели в исходном состоянии (мкм²);

k _o - то же, после обработки композицией (мкм² ).

Таблица 1
Влияние концентрации СКПЭ (Praestol 851 ВС) в составе композиции на эффект гидроизоляции. Соотношение ПГХА:КА=1:1 (мас.), температура 80°С
№ п.п.	Концентрация СКПЭ, мас.%	Скорость фильтрации, см3/с	k прониц. (мкм2)	W, %
1	0	0,139	11,10	0
2	0,05	0,134	10,70	33,00
3	0,10	0,057	4,54	68,00
4	0,12	0,018	1,50	90,50
5	0,15	0,003	0,24	97,80
6	0,20	1,3·10-4	0,011	99,99
7	0,30	1,1·10 -4	0,009	99,99

Из данных таблицы 1 следует, что сопротивление фильтрации воды через обработанную композицией модель зависит от количества полимера в составе композиции, что связано с количеством образовавшегося ПКК из данного полимера. Максимальное снижение скорости фильтрации воды соответствует концентрации СКПЭ в растворе 0,2 мас.% и выше.

Пример 3. В этом примере обусловлено влияние количества ПГХА в композиции, как источника дисперсной фазы в образующемся геле, обеспечивающего сопротивление фильтрации воды через модель пласта. Опыт проводят аналогично примеру 2, используя 0,2%-ный раствор Praestol 851ВС, приготавливая композицию с различным содержанием ПГХА, как показано в таблице 2.

Таблица 2
Влияние концентрации ПГХА в составе композиции на эффект гидроизоляции. Концентрация Praestol 851ВС - 0,2 мас.%, соотношение ПГХА:КА=1:1 (мас.), температура 80°С
№ п.п.	Концентрация ПГХА, мас.%	Скорость фильтрации, см3/с	k прониц. (мкм2)	W, %
1	0	0,069	5,55	50,00
2	4,0	0,041	3,27	70,50
3	5,3	0,003	0,25	97,70
4	6,0	1,2·10-4	0,01	99,99
5	8,3	0,6·10 -4	0,005	99,99

Как следует из данных табл.2, скорость фильтрации воды существенно падает при увеличении содержания ПГХА в композиции, а при концентрации 6,0% и более фильтрация полностью прекращается.

Пример 4. В этом примере обусловлено влияние температуры и массовое соотношения (ПГХА:КА) на время гелеобразования (время перехода раствора композиции в гелеобразное состояние). В эксперименте рассчитанные навески ПГХА и КА, соответствующие заданным отношениям (табл.3), загружают в стеклянные пробирки, добавляют 0,2%-ный раствор Praestol 851BC. Содержимое пробирок нагревают в термостате при заданной температуре, фиксируя момент образования геля по потере текучести.

Таблица 3
Влияние соотношения ПГХА:КА и температуры на время гелеобразования. Концентрация ПГХА - 6,0 мас.%
№ п.п.	Соотношение ПГХА:КА, мас.	Время гелеобразования при температуре, (час) °С
		65	70	75	80	85
1	1:0,3	52,0	24,0	16,0	10,0	8,0
2	1:0,5	42,0	16,0	12,0	6,5	5,0
3	1:1	20,0	11,5	8,0	4,5	3,0
4	1:2	18,0	10,0	6,0	4,0	2,5
5	1:3	14,0	9,0	5,5	2,2	2,0
6	1:4	12,0	8,0	5,0	2,1	1,8

Из данных таблицы 3 следует, что время гелеобразования определяется температурой и зависит от количества гидролизующего агента - карбамида. Таким образом, для каждой температуры в пластовых условиях можно подбором соотношения ПГХА:КА выбрать нужное технологическое время для доставки композиции в заданный интервал пласта.

Пример 5. В этом примере обусловлено влияние типа полиэлектролита на возможность образования растворимого ПКК и на гидроизолирующие свойства полученного на его основе структурированного геля. В качестве водорастворимых полимеров используют сополимеры акриламида с катион- и анионактивными сомономерами в виде коммерческих продуктов серии Praestol, Organopol, Zetag, Superfloc, а также неионогенный полиакриламид и 100%-ный поликатионный КФ - 99. Эксперимент проводят по аналогии с примером 2, используя 0,2%-ный раствор полимера при концентрации ПГХА 4,0 мас.%, соотношение ПГХА=2:1 (мас.) и температуре 80°С.

Таблица 4
Влияние вида водорастворимого полимера на образование полимер-коллоидного комплекса и гидроизолирующие свойства геля на его основе
№ п.п.	Вид полимера	Содержание катионных групп, мол.%	Образование полимерколлоидного комплекса	Скорость фильтрации, см3/с	k прониц. (мкм)	W, %
1	Чистый SiO2	-	-	0,139	11,10	0,00
2	Гель ПГХА	-	-	0,028	2,22	80,00
3	ПАА (прототип)	0	образуется растворимый	0,009	0,72	93,50
4	Organopol 6400	+1,65	образуется растворимый	1,4·10-4	0,01	99,99
5	Organopol 6405	+2,94	образуется растворимый	1,3·10 -4	0,01	99,99
6	Praestol 611ВС	+6,52	образуется растворимый	1,4·10-4	0,01	99,99
7	Praestol 851BC	+6,90	образуется растворимый	1,3·10-4	0,01	99,99
8	Zetag 92	+9,20	образуется растворимый	1,4·10 -4	1,12	89,80
9	Praestol 650	+19,20	не образуется	0,020	1,13	85,60
10	КФ-99	+100,0	не образуется	0,030	2,4	78,30
11	Praestol 2500	-1,10	образуется частично	0,012	0,96	91,35
			растворимый
12	Superfloc N 300	-3,73	образуется нерастворимый	0,025	1,92	82,70

Из данных таблицы 4 следует, что анионактивные сополимеры (11 и 12) образуют нерастворимые полимер-коллоидные комплексы, выпадающие из раствора до процесса гелеобразования, в результате чего при гидролизе в присутствии карбамида образуется амфотерный гель гидроксида алюминия с низким эффектом гидроизоляции на уровне ПГХА и ПАА (2 и 3). Полимер-коллоидные комплексы на основе катионактивных сополимеров образуются до определенного предельного содержания в них катионных групп (6,9 мол.%), выше которого комплексы не образуются из-за сильного электростатического отталкивания между положительно заряженными коллоидными частицами ПГХА и макромолекулами поликатионита. Возникающий в этом случае при гидролизе гель представляет собой механическую смесь амфотерного геля гидроксида алюминия и раствора сополимера с низкими гидроизолирующими свойствами (8, 9, 10). Сополимеры с малым содержанием катионных групп (4-7) образуют устойчивые растворимые полимер-коллоидные комплексы с коллоидными частицами ПГХА, которые при гидролизе с карбамидом дают структурированные гели с высокими гидроизолирующими свойствами. Коэффициент проницаемости насыщенной модели, обработанной такими композициями, снижается более, чем в 1000 раз, что приводит к запирающему эффекту действия подобных композиций, когда фильтрация воды практически прекращается. Положительным моментом является также достаточно широкий ассортимент пригодных для этих целей коммерческих сополимеров с низким содержанием катионных групп.