Full Text

Введение К настоящему времени большинство нефтяных месторождений Пермского края находится на поздних стадиях разработки. Одним из главных признаков «старых» месторождений является высокая степень обводненности продукции скважин. Так, по данным аудита, около 75 % остаточных запасов нефти месторождений Пермского края характеризуются обводненностью продукции скважин более 50 %. Это определяет проблему снижения обводненности как одну из ключевых для эффективности работы нефтегазодобывающих предприятий. Стандартным решением проблемы обводненности продукции скважин является проведение водоизоляционных работ. Однако, согласно работе [1], в период 2011-2014 гг. осредненная эффективность водоизоляционных работ, по данным нефтедобывающих предприятий Пермского края, составляла от 14 до 53 %, что ниже в сравнении с другими геолого-техническими мероприятиями, проводившимися за этот же период. Таким образом, для нефтегазодобывающих предприятий необходимы оптимизация подходов проведения ремонтно-изоляционных работ (РИР), усовершенствование известных и разработка новых технологических решений в данном направлении. Известно, что диагностика причин водопритока в скважину в комплексе определяется текущим положением фронта вытеснения, забойным и пластовым давлением в скважине, фильтрационно-емкостными свойствами пласта (проницаемость, пористость, толщины), свойствами пластовых флюидов (плотность и вязкость), концентрацией солей в пластовой воде и др. [2]. Анализ вышеуказанных данных и качественная диагностика являются наиважнейшими этапами подготовки к проведению РИР. В статье приведена классификация РИР по степени сложности, которая отображает причины обводненности и соответствующие технологии блокировки водопритока. Приведен обзор химических методов, позволяющих блокировать водоприток в призабойной и удаленной зонах пласта. Классификации технологий ремонтно-изоляционных работ в зависимости от причин обводнения В работе [3] приведена классификация РИР по их степени сложности и даны рекомендации по технологиям ликвидации причин обводнения скважин. Выделено четыре категории сложности РИР. К наиболее простым РИР отнесены ликвидация негерметичности эксплуатационной колонны, блокировка заколонного перетока, изоляция водного горизонта от нефтяного плотной непроницаемой перемычкой. Традиционные технологии, используемые в этих случаях, - это цементирование, установка механического пластыря, реже используется закачка полимерного материала. К следующей категории сложности РИР относятся мероприятия по устранению негерметичности колонны с трещинами малого диаметра и сетью мелких капилляров в обсадной колонне; блокировка заколонного перетока с прилегающими трещинами малого диаметра и сетью каналов; конус обводненности трещин, образованных в результате гидроразрыва пласта. Для ликвидации этих причин, как правило, используют технологии с применением полимерных гелей, снижающие проницаемость воды; зачастую применяют закачку геля в узкие каналы с последующим цементированием крупных пустот для предотвращения вымывания геля. К третьей категории сложности относятся такие работы, как блокировка трещин и разломов, пересекающих наклонные или горизонтальные скважины; блокировка каналов, соединяющих нагнетательную и добывающую скважины; блокировка природной системы каналов, соединяющей скважины. В этих случаях используют гели суперабсорбенты, увеличивающиеся в объеме при контакте с водой, есть практика использования взвесей на основе геля с песком, целлофаном или волокном. К наиболее сложной категории РИР, согласно работе [3], относятся языки обводнения и обводнившиеся интервалы сверхпроницаемых коллекторов. В этих случаях необходима разработка индивидуальной технологии ликвидации водопритока. В целом все категории РИР можно объединить по принципу локализации зоны обработки в скважине. В литературе выделены три зоны локализации: обсадная колонна, призабойная зона (ПЗП) и удаленная зона пласта (УЗП) [4, 5]. Негерметичность обсадной колонны, как уже было упомянуто, ликвидируют механически или цементированием. Обработка ПЗП и УЗП предполагает применение цементных композиций и полимеров, в частности гелей. Отличием этих материалов является способность проникать в узкие трещины, поры и каверны малого диаметра. Цементы обладают низкой проникающей способностью, поэтому остаются на поверхности горной породы, такие составы используют в основном для ПЗП. Гели же обладают более высокой проникающей способностью и подходят для модификации профиля УЗП, как правило, такие технологии используются в нагнетательных скважинах [2, 3]. После завершения полимеризации полимерный состав образовывает непроницаемую эластичную массу, которая крепится к поверхности горной породы, тем самым блокируя зоны повышенной проницаемости. Подробное изучение механизма химического синтеза гелей позволяет адаптировать технологию РИР с применением полимера к любому источнику водопритока как в ПЗП, так и в УЗП. Достигаться это может путем изменения массы полимерной цепи, введением сополимеров и сшивающих агентов для регулирования прочностных характеристик полимера и его устойчивости при повышенных температурах; дополнительных присадок, влияющих на механизм полимеризации (например, активаторов полимеризации) и т.д. С этой точки зрения полимерные материалы более универсальны: один и тот же полимер в условиях работы на скважине может решить целый комплекс задач, связанных со снижением обводненности нефти. Это делает применение полимеров перспективным направлением для целей РИР. На данный момент предложено множество полимеров, каждый из которых имеет свою специфику синтеза и изначальные характеристики. В следующем разделе приведено краткое описание некоторых химико-технологических подходов. Принципы выбора полимерных материалов при ремонтно-изоляционных работах Полимерные материалы, используемые для целей РИР, могут обладать самыми разными характеристиками, которые подбираются в ходе лабораторных испытаний с учетом характеристик скважины, проницаемости и пористости пласта, причин водопритока, pH и ионной силы пластовых флюидов и других параметров. Основными требованиями к полимерным составам являются: оптимальная вязкость до начала полимеризации, позволяющая доставить полимер в зону локализации причины обводнения; химическая стабильность при температуре пласта; сохранение формы в течение длительного периода (от 6 месяцев до 2 лет); оптимальное время полимеризации, достаточное для проникновения полимерной массы в поры и капилляры пласта [6]. На сегодняшний день выделяют несколько классификаций полимерных материалов (рис. 1), используемых для целей РИР. По количеству фаз, входящих в полимерную композицию, выделяют однофазные и двухфазные (пены и коллоидные растворы). Рис. 1. Классификация полимерных материалов Среди однофазных гелей используются полимеры органической и неорганической природы. Среди органических гелей широко применяются композиции на основе полиакриламида (ПАА) [7-11]. Важными характеристиками этого полимера являются величина молекулярной массы и степень ее гидролизованности. Они влияют на термостабильность полимера: чем меньше молекулярная масса и выше степень гидролизованности, тем более устойчив полимер при высоких температурах [8]. На рис. 2 изображена реакция гидролиза полиакриламида, в результате которой образуется частично гидролизованный полиакриламид (ЧГПАА) [7, 9]. Рис. 2. Схема гидролиза полиакриламида Эта реакция идет при высоких температурах, и в литературе ее рассматривают как одну из причин нестабильности полакриламидного геля. При температурах пласта для стабилизации в полимер вводят дополнительные органические мономеры, такие как фенол, формальдегид [5, 12], винилпирролидон [11], модификации акриламид сульфонатов [13] и др. Высокая степень гидролизованности полимера снижает его растворимость в водной фракции. Низкая степень гидролиза повышает чувствительность полимера к присутствию электролитов в пластовой воде. Кроме солей, полимерные цепи способны вступать во взаимодействие с поверхностно-активными веществами. В работе [14] исследован механизм взаимодействия олеата натрия и гидролизованного акриламида. При низкой концентрации поверхностно-активных веществ наблюдалось увеличение вязкости раствора благодаря водородным связям между полимерными цепями и олеатом натрия. При высокой концентрации поверхностно-активного вещества его молекулы отталкиваются друг от друга, вязкость снижается по причине разрушения связей между акриламидом и олеатом натрия. Для формирования прочной трехмерной структуры ПАА используют межмолекулярные сшивки, которые могут быть неорганическими и органическими. Принцип сшивки заключается в образовании ковалентной связи между ионами сшивателя и отрицательно заряженных карбоксильных групп ПАА [4, 15]. Среди неорганических сшивателей используют ионы металлов, такие как Cr3+ [16, 17], Al3+ [18, 19] и др. Среди органических сшивателей можно выделить полиэтиленимин [20-22], хитозан, метилен-бис-акриламид и др. [12]. Другим примером органического полимера является полиуретан, получаемый в ходе реакции поликонденсации изоцианата со спиртом при температуре от 90 °С (рис. 3). Рис. 3. Схема синтеза уретановых полимеров Данный подход требует тщательного планирования химической реакции и выбора заместителей в связи с тем, что реакция идет с выделением большого количества тепла; кроме того, некоторые замещенные изоцианаты взрывоопасны и токсичны. Лабораторные испытания образцов керна производителя Berea показали снижение проницаемости с 30,5 до 0,11 мД. Однако полимер имеет тенденцию разрушаться со временем: так, через 3 месяца проницаемость обработанного керна увеличилась на 19 % [23]. Среди неорганических полимеров широко применяются составы на основе силикатов. Вязкость раствора силиката натрия, время гелеобразования, прочностные характеристики геля зависят от таких факторов, как pH, температура, концентрация солей, механическая скорость сдвига. Если силикатное число больше 1,6 при низких значениях рН, состав полимеризуется. Повышенная температура и дополнительные присадки активируют реакцию полимеризации. Так, в статье [24] описана технология использования мочевины, гидролизованной при высокой температуре, в качестве активатора полимеризации. Двухфазные полимерные композиции могут быть направлены как на устранение обводненности в ПЗП, так и на модификацию профиля дренирования в УЗП. В статье [25] представлен анализ полимерной композиции, состоящей из жидкой и газообразной фаз на основе сшитого ионами Cr3+ частично гидролизованного полиакриламида в кополимеризации с поверхностно-активными веществами, которая вспенивалась азотом. Преимуществом данного состава, по мнению автора, является малый расход и, соответственно, низкий уровень затрат. Полимер был протестирован на образце с каверной 0,7 см при подаче полимерного состава со скоростью 1 см3/мин, проницаемость керна снизилась с 777 до 1,67 Д. В связи с необходимостью регулирования скорости гелеобразования разработана двухфазная система на основе жидкой и твердой фаз, представленная наночастицами размером 100-200 нм. Принцип гелеобразования основан на сшивании частично гидролизованного ПАА ионами Cr3+, но в связи с тем что скорость гелеобразования этой системы большая (менее 30 мин при температуре 40 °С), ионы Cr3+ были изолированы с помощью полиэтиленимина и сульфодекстрана. Применение технологии позволило увеличить время гелеобразования до 7 дней [26]. Другим примером коллоидной системы являются ПАА-гели с добавлением силикатной и цементной пыли массовой долей около 10 %, которые после завершения полимеризации приобретают прочную структуру. Такие составы были протестированы на скважине с использованием закачки колтюбингом. В ходе испытаний гель показал высокую проникающую способность и качественную блокировку водопритока. Опыт разработки полимерных составов в условиях эксплуатационных объектов Пермского края Таким образом, на текущий момент в доступной литературе описано множество материалов и технологий для устранения причин обводненности нефти. Очевидно, что методология проведения водоизоляционных работ должна учитывать фильтрационно-емкостные свойства коллекторов нефтяных залежей. Для Пермского края основные объекты разработки приурочены как к терригенным (отложения визейского возраста), так и к карбонатным (отложения башкирского и турне-фаменского возраста) коллекторам. Терригенные визейские коллекторы представлены средне- и мелкозернистыми песчаниками, реже алевролитами. Граничный предел пористости, ниже которого не происходит фильтрация флюидов, для залежей в визейских коллекторах оценивается в диапазоне от 7 до 13 %, пористость может достигать 24 %. Визейские отложения на территории исследования имеют высокую плотность промышленных открытий и длительную историю разработки [27]. Карбонатные коллекторы в сравнении с терригенными имеют обычно более неоднородный состав, что существенно усложняет условия их разработки, в том числе ускоряет динамику обводнения продукции скважин в сравнении с залежами в терригенных коллекторах [28, 29]. Для карбонатных залежей пористый тип обусловлен в основном вторичными внутриформенными пустотами. При этом тип пустотности может быть как гранулярным, так и в результате выщелачивания ископаемых остатков карбонатного состава трещиновато-кавернозным. Граничный предел пористости для залежей в карбонатных коллекторах оценивается в диапазоне от 5 до 10 %, пористость в коллекторах крайне редко превышает 18 % [30]. Анализ фильтрационных характеристик залежей Пермского края показывает высокую неоднородность пропластков по проницаемости. Процесс обводнения происходит по наиболее проницаемым интервалам, что может спровоцировать возникновение водопритока любой категории сложности. Для эффективного проведения РИР важнейшим подготовительным этапом является диагностика причины водопритока. Общий подход к снижению обводненности нефти при добыче в условиях Пермского края - устранение обводнившихся интервалов и перераспределение фильтрационных потоков в невыработанные, менее проницаемые участки геологического разреза. Технология снижения водопритока с помощью полимерных материалов является универсальной и может быть адаптирована к большей части задач РИР. Основными требованиями к характеристикам полимерной композиции являются: низкая вязкость раствора на стадии закачки, оптимальное время полимеризации, которое зависит от локализации причины обводненности нефти; прочная структура после завершения полимеризации. Наиболее подходящими полимерами для РИР на месторождениях Пермского края, на взгляд автора, являются композиции на основе полиакриламида. В связи с тем что средняя пластовая температура по Пермскому краю составляет 25-30 °С, полимер будет устойчив при пластовых температурах. Процесс полимеризации акриламида и зависимость свойств полимера от дополнительных сополимеров и инициаторов полимеризации широко освещены в научной литературе, что значительно облегчает процесс подбора композиции для целей РИР. В исследовательской лаборатории ООО «НефтеПром Сервис» на данный момент ведутся работы по изучению и подбору полимерных композиций для РИР на месторождениях Пермского края. В настоящее время к испытанию принят полимер фирмы SNF Floergrer марки FP-207. С опорой на результаты, представленные в статье [16], начат процесс изучения полимеризации в зависимости от pH раствора. Лабораторные испытания подтвердили данные источника [16]: оптимальное значение pH для полимеризации находится в пределах от 4,5 до 5,0. Было исследовано изменение вязкости в течение времени полимерного состава с содержанием ПАА 0,75 % и ацетатом хрома 0,02 % (рН = 4,91). Изменение вязкости полимерного состава во времени представлено на рис. 4. Рис. 4. Изменение вязкости ПАА во времени Данный состав может быть рекомендован для мелкотрещиноватых кавернозных зон обводнения в УЗП. Для РИР в ПЗП необходимо модифицировать состав с целью сокращения времени полимеризации и увеличения прочностных характеристик полимера. С целью изучения процесса полимеризации в пластовой воде месторождений Пермского края проведены испытания на пробах пластовых флюидов из системы поддержания пластового давления Павловского месторождения (таблица). Испытание полимеризации ПАА в пластовой воде Соотношение водопроводная вода/пластовая вода, % Масса водной фракции, г pH Масса ПАА, г Вязкость, сПз Время перемешивания с помощью мешалки, мин 100/0 224,86 4,16 3,378 63 40 50/50 226,55 4,71 3,398 63 40 0/100 222,53 4,84 3,337 68 40 В ходе испытания установлено, что состав, приготовленный на пластовой воде, обладает большей вязкостью по сравнению с составами на водопроводной воде. Причиной этому может быть повышенная концентрация солей двухвалентных металлов, которые выступили в качестве сшивающих агентов между цепями ПАА. Составы, полученные в результате испытания, при температуре 93 °С в течение 8 часов затвердели. Таким образом, предварительные испытания полимера на основе ПАА показали, что вязкость раствора полимера увеличивается при увеличении температуры и концентрации сшивающих агентов, установлено изменение вязкости во времени. Эти результаты станут основой дальнейшей работы по оптимизации полимерного состава и подбору методик тестирования композиций.

About the authors

Yuliya A. Ketova

Author for correspondence.
Email: ketovaya@npserv.ru
25 Lizy Chaykinoy st., Perm, 614022, Russian Federation

Engineer Chemist of the Chemistry Analytical Laboratory

References

Statistics

Views

Abstract - 213

PDF (Russian) - 28

PDF (English) - 27

Refbacks

• There are currently no refbacks.