Полный текст

Введение В настоящее время на основании проведенной оценки запасов на долю карбонатных коллекторов приходится порядка 60 % месторождений углеводородов и примерно столько же объемов добычи нефти в мире. Разработка таких коллекторов осложняется наличием разветвленной сети естественных и искусственных (в результате гидроразрыва пласта) трещин, высокой неоднородности, сложной структуры порового пространства, гидрофобных свойств пород-коллекторов, аномально низкого пластового давления. Рассмотренные характерные особенности карбонатных коллекторов могут привести к низкому охвату пласта воздействием, низкому коэффициенту вытеснения, быстрому обводнению скважин, прорыву газа и, как итог, стремительному падению добычи нефти [1-9]. Наличие на месторождении пластов с подобными характеристиками обусловливает особый дифференцированный подход к планированию операций глушения скважин, связанных с разработкой и выбором блокирующего состава. Правильный подбор блокирующих составов для глушения скважин требует тщательных лабораторных исследований для конкретных объектов планируемого применения. Несоблюдение вышеуказанных условий при планировании мероприятий на скважине может привести к потере значительных объемов технологических жидкостей, увеличению сроков проведения ремонта и времени вывода скважины на режим, что в конечном счете повлечет за собой рост стоимости подземных работ [10-12]. Передовым решением в разработке блокирующих жидкостей является использование сшитых полимерных составов с контролируемым временем гелеобразованием. Скорость изменения вязкости можно регулировать для более эффективного проведения технологических операций. Технологии с применением описанных полимерных составов зарекомендовали себя в качестве надежного способа изоляции высокопроницаемых интервалов пластов с целью предотвращения прорыва воды и газа в добывающие скважины [13-15]. В рамках данной работы в качестве блокирующих полимерных жидкостей для глушения скважин были выбраны и изучены физико-химические и реологические свойства каркасообразующего и гелеобразующего составов. Данные составы представляют собой сшитые системы, приготовленные на основе растворимых силикатов. При этом силикатный гель образуется, когда водный раствор со сравнительно высоким показателем pH, содержащий достаточное количество мономера эфира ортокремниевой кислоты или олигомеров ортокремниевой кислоты, испытывает уменьшение своего показателя pH либо подвергается воздействию катионов жесткости [16, 17]. Каркасообразующий состав представляет собой непрозрачную неоднородную жидкость белого цвета. При закачке в пласт жидкая фаза отделяется, а сухой остаток в условиях повышенных температур «запекается», образуя прочный каркасообразующий экран для изоляции интервалов с повышенной трещиноватостью. Такая особенность состава позволяет снизить потери закачиваемой в скважину технологической жидкости при проведении глушения. В свою очередь, гелеобразующие составы представляют собой прозрачную однородную жидкость, которая за счет повышенной вязкости обладает низким показателем фильтруемости в пласт, а также способна предотвращать прорыв газа в условиях высокого газового фактора. При этом гелеобразующий состав готовился в двух модификациях с гелеобразователем для низких (20 °С) и высоких (90 °С) температур. Технология проведения глушения скважин при их подземном ремонте предполагает последовательную закачку в скважину каркасообразующего и гелеобразующего составов. Порядок проведения лабораторных физико-химических и реологических исследований составов состоял из нескольких последовательных этапов: 1) определение плотности; 2) оценка термостабильности; 3) оценка разрушаемости; 4) определение эффективной вязкости и статического напряжения сдвига (СНС); 5) определение времени гелеобразования сшитых композиций. Физико-химические исследования составов Плотность каркасообразующего и гелеобразующего составов определялась пикнометрическим методом согласно [18] и составила 1045 и 1015 кг/м3 для низких температур, а для высоких температур - 1022 кг/м3. Такое значение плотности исследуемых составов позволяет применять их при нормальном и пониженном значении пластового давления [19-22]. Для оценки термостабильности приготовленный состав выдерживался в термостате при температуре 20 или 90 °С в течение трех суток (средняя продолжительность ремонтных работ). Затем визуально оценивалось состояние исследуемой композиции и изменение ее внешнего вида. При выделении водной фазы, расслоении и образовании осадка состав считался нестабильным [23-28]. По результатам оценки термостабильности каркасообразующего состава (табл. 1.) выявлено, что спустя 15 мин после приготовления композиции как при 20 °С, так и при 90 °С из состава выделяется до 20 и 25 % воды соответственно. При дальнейшем термостатировании количество выделившейся воды остается практически неизмененным. В то же время производителем каркасообразующего состава допускается выделение воды в небольшом количестве из объема композиции. Поэтому принято решение, что каркасообразующий состав является термостабильным при 20 и 90 °С и способным сохранять свои физико-химические свойства при ремонтных работах в скважине. Таблица 1 Результаты определения термостабильности каркасообразующего и гелеобразующего составов Состав Термостабиль-ность при 20 °С в течение 3 сут Термостабиль-ность при 90 °С в течение 3 сут Примечание Каркасообра-зующий Да Да Выделение до 20 и 25 % воды соответственно Гелеобразу-ющий Да Да - В то же время при термостатировании гелеобразующего состава не наблюдалось видимых изменений внешнего вида в течение всего исследуемого промежутка времени. Стоит отметить, что требованием, предъявляемым к подобному роду составам при глушении скважины, является полная или частичная их разрушаемость при воздействии деструктора. Составы, не удовлетворяющие данным условиям, не могут быть рекомендованы к применению, поскольку это влечет за собой ухудшение фильтрационно-емкостных свойств коллектора, а также сложности при освоении и выводе скважины на режим после проведения ремонтных работ. Разрушаемость каркасообразующего и гелеобразующего составов оценивалась визуально при температурах 20 и 90 °С в течение 24 ч путем смешения деструктора с исследуемыми блокирующими составами в соотношениях 1:1. В качестве деструктора гелеобразующего состава использовался 10%-ный водный раствор гидроксида натрия, а для деструкции каркасообразующего состава - смесь 12%-ной соляной и 5%-ной плавиковой кислот. В результате оценки деструкции каркасообразующего и гелеобразующего составов (табл. 2) выявлено, что данные композиции могут быть рекомендованы к применению при проведении процесса глушения скважин. Определение реологических характеристик составов Исследование реологических характеристик каркасообразующего и гелеобразующего составов заключалось в определении следующих параметров: - эффективной вязкости при 300 об/мин; - «кривых вязкости» (зависимость эффективной вязкости от скорости сдвига или частоты вращения ротора); - статическое напряжение сдвига после гелеобразования сшитых композиций в режиме контролируемой скорости сдвига путем построения зависимости напряжения сдвига τ от скорости сдвига D, определение напряжения сдвига, при котором начинается разрушение структуры состава и его движение; Таблица 2 Результаты оценки процессов деструкции каркасообразующего и гелеобразующего составов Блокирующий состав Температура, °С Результат деструкции Время деструкции, ч Деструктор Рекомендация к применению Каркасообразующий 20 Частично 1 (50 %) 24 (75 %) 12%-ный HCl + 5%-ный HF Рекомендуется 90 Частично 1 (75 %) 12%-ный HCl + 5%-ный HF Рекомендуется Гелеобразующий 20 Полностью 3 10%-ный водный раствор NaOH Рекомендуется 90 Полностью 1 10%-ный водный раствор NaOH Рекомендуется - времени гелеобразования сшитых композиций в динамическом режиме путем измерения эффективной вязкости μэфф состава во времени при заданной скорости сдвига, равной скорости закачки состава в скважину, и в статическом режиме осциллирующих напряжений путем измерения комплексной вязкости во времени. Построение кривой вязкости и определение статического напряжения сдвига проводилось для каркасообразующего и гелеобразующего составов. СНС характеризует начальный градиент давления, при котором происходит разрушение структуры композиции и ее движение [18, 29-35]. Эксперименты по определению времени гелеобразования проводились только для сшитых композиций, представляющих собой нелинейные гели. Определение реологических характеристик осуществляется согласно [36] с применением ротационного автоматизированного вискозиметра Rheotest RN 4.1 (рис. 1). Измерения проводились с использованием цилиндрической измерительной системы. Рис. 1. Ротационный автоматизированный вискозиметр Rheotest RN 4.1 I. Последовательность исследований линейных (несшитых) составов. 1. Моделирование процесса начала движения состава (разрушения структуры состава). Определяется СНС путем построения зависимости напряжения сдвига от скорости сдвига в режиме контролируемого напряжения сдвига. СНС равняется значению напряжения сдвига τ, предшествующему разрушению структуры состава, и характеризует начало движения композиции. Условия эксперимента: - предварительная выдержка состава в измерительной ячейке в течение 15 мин; - время эксперимента t = 0-500 с; - напряжения сдвига τ = 0-2000 Па; - температура 20 и 90 °С соответственно. 2. Определение эффективной вязкости проводилось в режиме контролируемой скорости сдвига - кривая вязкости (CR test - Controlled Rate). Суть метода исследований заключалась в получении зависимости эффективной вязкости (напряжения сдвига) от скорости сдвига (частоты вращения) при постепенном увеличении последнего параметра от 0 до 300 с-1. Условия эксперимента: - время t = 0-300 с; - скорость сдвига γ = 0-300 с-1; - температура 20 и 90 °С соответственно. II. В связи с тем что гелеобразующий состав изменяет вязкость во времени, принято решение о проведении поэтапного исследования реологических характеристик по следующей схеме [37-42]: 1. Моделирование состояния состава сразу после приготовления на устье скважины для оценки фильтруемости в межтрубное пространство или в колонну насосно-компрессорных труб. Определяется эффективная вязкость состава при различной скорости сдвига путем снятия кривой вязкости. Условия эксперимента: - время t = 0-300 с; - скорость сдвига γ = 0-300 с-1; - температура 20 °С. 2. Моделирование процесса закачки состава по межтрубному пространству в скважину с учетом равномерного изменения температуры по стволу скважины. Определяется время гелеобразования при постоянной скорости сдвига. Условия эксперимента: - время эксперимента t = 85 мин; - скорость сдвига γ = 21,8 с-1; - температура T = 20-90 °С (для состава, применимого при 20 °С, температура эксперимента T = 20 оС). 3. Моделирование процесса закачки состава в пространство эксплуатационной колонны скважины. Продолжается определение времени гелеобразования при постоянной скорости сдвига. Условия эксперимента: - время эксперимента t = 15 мин; - скорость сдвига γ = 7,1 с-1; - температура T = 90 °С (для состава, применимого при 20 °С, температура эксперимента T = 20 °С). 4. Моделирование процесса выдержки состава на время реагирования (окончания процесса сшивки) при пластовой температуре. Определяется время гелеобразования в статическом режиме осциллирующих напряжений [43-45]. Условия эксперимента: - время t = 3 ч; - частота колебаний ротора f = 1 Гц; - модуль напряжений G = 10 Па; - температура 90 °С (для состава, применимого при 20 °С, температура эксперимента T = 20 °С). 5. Моделирование процесса начала движения состава (разрушения структуры состава). Определяется СНС путем построения зависимости напряжения сдвига от скорости сдвига в режиме контролируемого напряжения сдвига. Условия эксперимента: - время t = 0-500 с; - напряжения сдвига τ = 0-2000 Па. - температура 90 °С (для состава, применимого при 20 °С, температура эксперимента T = 20 °С). 6. Моделирование состояния состава после закачки в скважину для оценки изменения его эффективной вязкости. Определяется эффективная вязкость состава при различной скорости сдвига путем снятия кривой вязкости. Условия эксперимента: - время t = 0-300 с; - скорость сдвига γ = 0-300 с-1; - температура 90 °С (для состава, применимого при 20 °С, температура эксперимента T = 20 °С). Обобщенные результаты реологических исследований композиций представлены в табл. 3. Результаты определения времени гелеобразования в условиях закачки сшитых составов приведены на рис. 2. Исходя из результатов, опубликованных в работе [34], чем выше СНС, тем больший градиент давления блокирующий состав способен выдержать, не разрушившись. Такие же выводы справедливы при увеличении эффективной вязкости, поскольку при этом повышается ее структурная прочность. а б Рис. 2. Динамика эффективной и комплексной вязкости гелеобразующего состава: а - 90 °С; б -20 °С Таблица 3 Результаты реологических исследований каркасообразующего и гелеобразующего составов Наименование состава Температура, °С Эффективная вязкость, мПа∙с, после приготовления при N = 300 об/мин Эффективная вязкость, мПа∙с, после сшивки при N = 300 об/мин СНС, Па Каркасообразующий 90 27 - 2,66 20 64 - 3,38 Гелеобразующий 90 10,7 17,4 126 20 8 600 648 Примечания: «-» означает, что эффективная вязкость для данных составов не измерялась, так как они не являются «сшитыми» и их вязкость не зависит от времени. По результатам определения времени сшивки в процессе моделирования закачки гелеобразующего состава (применяемого для 20 °С) в условную скважину установлено, что: - процесс сшивки начинается во время закачки состава в межтрубное пространство. Индукционный период начала гелеобразования составляет около 40 мин после приготовления состава; - процесс сшивки состава заканчивается после его закачки в скважину, во время технического отстоя скважины. Индукционный период конца гелеобразования составляет около 2 ч 20 мин после приготовления состава. По результатам определения времени сшивки в процессе моделирования закачки гелеобразующего состава (применяемого для 90 °С) в условную скважину пришли к выводу, что: - процесс сшивки начинается во время закачки состава в межтрубное пространство. Индукционный период начала гелеобразования составляет около 12 мин после приготовления состава; - процесс сшивки состава заканчивается во время его закачки в межтрубное пространство. Индукционный период конца гелеобразования составляет около 18 мин после приготовления состава. После закачки состава в скважину, во время технического отстоя скважины, наблюдается структурообразование, характеризующееся повышением комплексной вязкости, которое заканчивается после 4 ч с момента приготовления состава. Для того чтобы повысить технологическую эффективность (например, предотвратить механическое разрушение геля во время его закачки в скважину) процесса глушения с применением гелеобразующего состава, применяемого для 90 °С, рекомендуется скорректировать содержание компонентов таким образом, чтобы процесс гелеобразования заканчивался после закачки состава в скважину в полном объеме. Заключение В результате проведенных физико-химических и реологических исследований каркасообразующего и гелеобразующего составов выявлено следующее: 1. Составы, применяемые в условиях низких (20 °С) и высоких (90 °С) температур, являются термостабильными в течение всего исследуемого периода (3 сут). 2. Результаты оценки деструкции каркасообразующего и гелеобразующего составов показали следующее: - гелеобразующий состав в течение 1 и 3 ч полностью разрушается 10%-ным водным раствором NaOH при 90 и 20 °С соответственно; - каркасообразующий состав в течение 1 и 24 ч разрушается на 75 % смесью 12%-ной соляной и 5%-ной плавиковой кислот (грязевой кислотой) при 90 и 20 °С соответственно. 3. Гелеобразующие (8 и 10,7 мПа∙с) и каркасообразующие (64 и 27 мПа∙с) составы при 20 и 90 °С соответственно обладают низкой эффективной вязкостью после приготовления, что позволяет сделать вывод об их технологичности при закачке в скважину. 4. Гелеобразующие составы могут обладать высокой блокирующей способностью, поскольку их СНС составляет 648 Па в условиях низких температур (20 °С) и 126 Па в условиях высоких температур (90 °С). Результаты физико-химических и реологических исследований каркасообразующих и гелеобразующих составов показали технологичность их применения в условиях пластовых температур от 20 до 90 °С, заключающуюся в возможности закачки данных композиций в типовую скважину и продавке в призабойную зону пласта за счет их низкой вязкости после приготовления и замедленной скорости сшивки. Однако по результатам проведенных исследований рекомендуется скорректировать содержание компонентов гелеобразующего состава (применяемого для 90 °С) таким образом, чтобы процесс гелеобразования заканчивался после закачки состава в скважину в полном объеме. Кроме этого, применение деструкторов позволяет снизить негативное влияние данной технологии на фильтрационные характеристики призабойной зоны пласта после глушения за счет снижения коэффициента относительного изменения проницаемости и градиента давления начала фильтрации нефти при освоении скважины. Для решения проблемы глушения скважин в сложных геолого-физических условиях разработки карбонатных коллекторов необходимо проведение цикла лабораторных и промысловых испытаний рассмотренных составов, что позволит выбрать и обосновать оптимальные технологические и экономические параметры проводимой операции.

Об авторах

Антон Владимирович Бондаренко

Автор, ответственный за переписку.
Email: Bondarenko_AV@pers.spmi.ru
199106, Россия, г. Санкт-Петербург, 21-я линия Васильевского острова, 2

аспирант кафедры разработки и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений

Шамиль Расихович Исламов

Email: Islamov_SR@pers.spmi.ru
199106, Россия, г. Санкт-Петербург, 21-я линия Васильевского острова, 2

аспирант кафедры разработки и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений

Кирилл Валерьевич Игнатьев

Email: Ignatyev_KV@pers.spmi.ru
199106, Россия, г. Санкт-Петербург, 21-я линия Васильевского острова, 2

бакалавр кафедры разработки и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений

Дмитрий Владимирович Мардашов

Email: Mardashov_DV@pers.spmi.ru
199106, Россия, г. Санкт-Петербург, 21-я линия Васильевского острова, 2

кандидат технических наук, доцент кафедры разработки и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 321

PDF (Russian) - 104

PDF (English) - 133

Ссылки

• Ссылки не определены.