ГЕЛЕОБРАЗУЮЩИЙ ПОЛИМЕРНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ВЫРАВНИВАНИЯ ПРОФИЛЯ ПРИЕМИСТОСТИ И ВОДОИЗОЛЯЦИИ СКВАЖИН И СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК E21B33/138 E21B43/22 

Изобретение относится к области нефтедобычи и может быть использовано для повышения эффективности разработки нефтяных месторождений за счет выравнивания профиля приемистости нагнетательных скважин и изоляции водопритока в добывающих скважинах.

Аналогом предлагаемого гелеобразующего полимерного материала для выравнивания профиля приемистости и водоизоляции скважин (ГОПМ) является загуститель изоляционных составов, содержащий порошкообразные полимеры или сополимеры кислот акрилового ряда со степенью гидролиза от 4 до 40% (RU, патент 2069256, Е 21 В 33/138, 43/22, 23.12.93), обработанные ионизирующим излучением поглощенной дозой 0.5-3.0 Мрад. Загуститель дополнительно может содержать добавки стабилизаторов.

Способ получения загустителя, описанный там же, заключается в облучении порошка на основе полимеров и сополимеров кислот акрилового ряда гамма-излучением. Для уменьшения процесса радиационного старения и термоокислительной деструкции полимерно-гелевых систем облучение проводят в присутствии добавок (антирадов и антиоксидантов). Недостатком загустителя является высокая степень деструкции полимера при гамма-облучении, требующем большой продолжительности радиационного воздействия (несколько часов) для достижения рабочего диапазона доз, ввиду малой мощности источников гамма-излучения. При облучении полимеров параллельно процессу сшивания протекает деструкция макромолекул, обусловленная как неполной рекомбинацией образующихся радикалов, так и воздействием атмосферного кислорода, активизированного излучением. Следовательно, с увеличением времени облучения увеличивается доля деструктивных процессов в ходе обработки, что ухудшает реологические свойства состава в водной среде. Кроме того, предлагаемый способ дезактивации остаточных радикалов введением добавок анитиоксидантов является малоэффективным, поскольку предлагаемые стабилизаторы при обычных условиях являются твердыми веществами, плохо совместимыми с гидрофильными полимерами, их подвижность в твердой фазе полимера ограничена и распределение неравномерно.

Известны добавка к закачиваемой в пласт воде на основе порошкообразного полиакриламида, обработанного ионизирующим излучением дозой 5-50 кГр (0,5-5 Мрад), и способ ее получения (RU, патент 2127359, Е 21 В 43/22, 29.05.98 - прототип материала и способа). Способ получения добавки заключается в обработке порошкообразного полиакриламида гамма-излучением в присутствии газовой смеси с содержанием кислорода 10-50% поглощенной дозой 0,5-5 Мрад. Способ реализуется на установке (RU, патент 1669404, Е 21 В 43/22, 22.11.89 - прототип установки), которая содержит источник гамма-излучения, герметичные контейнеры с порошком полиакриламида и устройство подачи контейнеров в камеру гамма-установки. Контейнеры с порошком представляют собой полиэтиленовые пакеты с контролируемой по кислороду газовой средой или герметичные сосуды с входным и выходным газовыми патрубками и кранами на них.

Данный способ предполагает образование перекисных групп при облучении и их последующее сшивание при доставке добавки в пласт. Авторы отмечают, что этот процесс частично снижает скорость образования гелевой фракции непосредственно под действием ионизирующего излучения, для чего необходимо увеличивать дозу ионизирующего излучения. Увеличение дозы увеличивает продолжительность радиационного воздействия, что обуславливает высокую степень деструктивных процессов во время облучения. Кроме того, при облучении полимера в кислородсодержащей атмосфере образующиеся перекисные группы могут инициировать пострадиационную окислительную деструкцию при хранении. Таким образом, в описанной добавке не достигается та доля рекомбинировавших (сшившихся) радикалов, которая может быть обеспечена данной поглощенной дозой излучения. Добавка нестабильна при хранении.

Недостатком способа являются большая продолжительность радиационного воздействия, высокая степень деструктивных процессов во время облучения. Применение источников гамма-излучения представляет экологическую опасность, требует дорогостоящих работ по контролю радиационного фона и последующей утилизации изотопного источника. Кроме того, излучение гамма-источника имеет изотропное пространственное распределение, поэтому степень его использования в описанной установке низка.

Задача изобретения состоит в разработке ГОПМ для выравнивания профиля приемистости и водоизоляции скважин с улучшенными реологическими свойствами и стабильностью, а также в разработке способа и установки для его получения с меньшей радиационной опасностью для персонала и окружающей среды.

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается, в частности, в снижении доли деструктивных процессов при получении радиацинно-сшитого ГОПМ.

Поставленная задача решается тем, что ГОПМ для выравнивания профиля приемистости и водоизоляции скважин на основе водорастворимых полимеров акрилового ряда, радиационно-обработанных в твердой фазе, содержит полимеры, обработанные импульсным ионизирующим излучением поглощенной дозой 0.5-7.0 Мрад с длительностью импульсов 10^-8-10^-4c.

С целью рекомбинации остаточных радикалов и предотвращения пострадиационной деструкции в состав ГОПМ после облучения целесообразно ввести добавки пластификаторов.

Поставленная задача также решается тем, что способ получения ГОПМ заключается в том, что порошок водорастворимого полимера акрилового ряда облучают ионизирующим излучением. В отличие от прототипа облучение проводят импульсным ионизирующим излучением с длительностью импульсов 10^-8-10^-4 с и импульсной мощностью 10¹⁰-5•10¹⁴ рад/с до достижения поглощенной дозы 0.5-7.0 Мрад.

Радиационную импульсную обработку водорастворимых полимеров акрилового ряда можно проводить импульсным пучком ускоренных электронов с кинетической энергией не менее 0.3 МэВ.

Поставленная задача также решается тем, что установка для получения ГОПМ, как и прототип, содержит источник ионизирующего излучения и устройство подачи порошка полимера в камеру облучения; в отличие от прототипа источник ионизирующего излучения выполнен в виде сильноточного импульсного ускорителя электронов с выводом электронного пучка в камеру облучения, а устройство подачи порошка реализовано по принципу непрерывной подачи порошка в камеру облучения и снабжено регулятором скорости потока порошка через камеру. В установке для облучения порошка полимера другим видом ионизирующего излучения на выходе ускорителя электронов размещена мишень - конвертор для преобразования электронного пучка в тормозное рентгеновское излучение.

Сущность изобретения состоит в следующем.

При облучении полимеров акрилового ряда в твердой фазе мощным импульсом ионизирующего излучения за чрезвычайно малый промежуток времени образуется большое количество свободных радикалов и происходит быстрый разогрев облучаемого участка, приводящий к увеличению подвижности макромолекул. Высокая концентрация и повышенная подвижность макрорадикалов способствуют увеличению доли рекомбинировавших (сшившихся) радикалов и уменьшению доли остаточных и разрушившихся радикалов. Импульсный характер радиационного воздействия имеет принципиальное значение. Под воздействием ионизирующего излучения вместе с процессами рекомбинации радикалов идут процессы радиационной деструкции "старых" и вновь образовавшихся химических связей. Скорость этих процессов различна и если радиационное воздействие прекращать до возникновения значительных деструктивных процессов, то можно добиться минимального количества разрушившихся молекул. Механизм сшивания и деструкции полиакрилатных полимеров до конца не изучен, но, как показали наши эксперименты, при длительности ионизирующего излучения в диапазоне 10^-8-10^-4 с и импульсной мощности излучения в диапазоне 10¹⁰-5•10¹⁴ рад/с эффект уменьшения деструкции ГОПМ наблюдается для всех исследованных полимеров. Следует отметить, что такого эффекта в полной мере нельзя достигнуь просто уменьшением общего времени радиационной обработки полимера за счет более высокой его интенсивности, а необходим импульсный характер облучения с определенными постоянными времени.

Кроме того, при импульсном воздействии за счет малого времени облучения уменьшаются также процессы пострадиационной деструкции, связанные с влиянием агрессивной кислородсодержащей атмосферы. При этом образуется порошкообразный ГОПМ, состоящий из единой трехмерной сетки макромолекул и низкомолекулярной части линейных макромолекул, не вошедших в общую сетку. При попадании ГОПМ в водную среду происходит многократное набухание частиц сшитого полимера и экстракция растворимой части макромолекул (золь-фракции), таким образом образуется дискретная система - дисперсия гелеобразных частиц в водном растворе золь-фракции. Набухшие частицы геля обладают достаточно высокой прочностью и упругими свойствами, что обеспечивает надежную изоляцию высокопроницаемых каналов фильтрации и невозможность их проникновения в низкопроницаемые каналы. Наличие золь-фракции увеличивает вязкость и обеспечивает седиментационную устойчивость системы. При закачке водной дисперсии ГОПМ в нагнетательную скважину происходит селективная изоляция поглощающих интервалов и выравнивание профиля приемистости. При обработке добывающих скважин ГОПМ проникает по сверхпроницаемым каналам и трещинам и, попадая в водонасыщенные участки, изолирует их. Получаемый после облучения ГОПМ содержит небольшое количество остаточных макрорадикалов, которые способны вызвать пострадиационную окислительную деструкцию. В случае необходимости длительного хранения ГОПМ остаточные радикалы могут быть дезактивированы введением пластифицирующих добавок, которые вызывают набухание полимера и переход его из стеклообразного в высокоэластичное состояние. Подвижность макрорадикалов в высокоэластичном состоянии достаточна для рекомбинации остаточных радикалов. Все это обеспечивает более высокие реологические показатели получаемого ГОПМ в водной среде, стабильность при хранении и устойчивость к воздействию кислородсодержащей атмосферы.

Для импульсной радиационной обработки полимеров может быть использован электронный пучок с кинетической энергией электронов не менее 0.3 МэВ. Нижний предел кинетической энергии электронов (0.3 МэВ), используемых для облучения, обусловлен минимально достаточной проникающей способностью пучка ускоренных электронов, обеспечивающей равномерное распределение поглощенной дозы в порошке полимера толщиной около 1 мм. При увеличении энергии электронов толщину слоя порошка в зоне облучения можно увеличивать, увеличивая тем самым производительность способа. Физических ограничений по верхнему пределу энергии электронного пучка нет, однако превышение энергии более чем 1 МэВ становится экономически нецелесообразным. Более высокой проникающей способностью обладает рентгеновское излучение, но для него повышаются требования к радиационной защите, поэтому конкретный выбор вида излучения определяется требуемой производительностью и экономическими оценками технологии.

Продолжительность импульса не превышает тысячных долей секунды и в зависимости от требуемой дозы количество импульсов может составлять от 1 до нескольких десятков (для сравнения, в случае применения изотопных источников гамма-излучения для достижения тех же порядков доз время обработки обычно составляет несколько часов). Использование импульсного пучка ускоренных электронов имеет несколько преимуществ. Во-первых, для радиационного воздействия используется практически вся энергия пучка, т.к. он является направленным, в отличие от радиоизотопных источников, которые излучают во всех направлениях. Во-вторых, электронное облучение является экологически безопасным. Электронное излучение является управляемым и генерируется только во время импульса, наведенная радиоактивность при таких энергиях пучка отсутствует и в остальное время установка радиационно безопасна. По сравнению с прототипом исчезают проблемы утилизации источников излучения.

Указанный выше диапазон поглощенной дозы является оптимальным для получения ГОПМ с необходимыми реологическими свойствами. Как видно на фиг.1, при поглощенных дозах менее 0.5 Мрад степень сшивки полимера является недостаточной, и получаемый состав по реологическим свойствам практически не отличается от исходного полимера. При увеличении дозы облучения выше 7.0 Мрад чрезмерно увеличивающаяся плотность сшивки подавляет набухание частиц полимера, кроме того параллельно протекающая деструкция снижает молекулярную массу золь-фракции, что снижает реологические показатели ГОПМ.

Установка для реализации способа схематически изображена на фиг.2, где обозначено:
1 - катод сильноточного импульсного ускорителя,
2 - выводное окно ускорителя,
3 - камера дрейфа пучка,
4 - электронный пучок,
5 - камера облучения с полимерным порошком,
6 - сборка детекторов поглощенной дозы,
7 - рабочая камера,
8 - электромагнитный клапан,
9 - электромагнитное устройство регулировки скорости потока полимерного порошка,
10 - загрузочный герметизированный бункер,
11 - приемное устройство обработанного порошка,
12 - сборка электромагнитных клапанов,
13 - исходный порошок,
14 - сильноточный импульсный ускоритель.

В установке выводное окно ускорителя 2 и камера облучения 5 отделены друг от друга камерой дрейфа пучка 3, которая служит буферным объемом между камерой облучения 5 и вакуумным объемом ускорителя в случае аварийных ситуаций. В случае облучения импульсами рентгеновского излучения выводное окно 2 ускорителя заменяется на мишень-конвертор из тяжелого металла, а камера облучения 5 приближается вплотную к мишени. Необходимость в камере дрейфа 3 отпадает, так как вакуумный объем ускорителя и камера облучения разделены мишенью. Непрерывный поток порошка в камере облучения 5 образуется при пересыпании порошка из загрузочного бункера 10 в приемное устройство 11. Устройство для регулировки скорости потока выполнено в виде электромагнитного клапана 9, перекрывающего поперечное сечение камеры облучения 5. Для расширения диапазона регулировки скорости потока используется герметизация загрузочного бункера 10 и подкачка его инертным газом через сборку электромагнитных клапанов 12.

Реализацию способа получения ГОПМ рассмотрим на примере работы устройства.

Порошкообразный полимер акрилового ряда загружают в бункер 10. Для получения ГОПМ может быть использован любой водорастворимый полимер акрилового ряда, так как все полимеры этой группы способны сшиваться под воздействием пучка ускоренных электронов. ГОПМ может быть адаптирован к конкретным геологическим и физико-химическим условиям объекта применения путем подбора различных исходных полимеров и композиций на их основе. Атмосфера в облучаемой камере не оказывает существенного влияния на конечные свойства ГОПМ, облучение может проводиться как в кислородсодержащей, так и в инертной атмосфере. При открытии клапана 9 порошок полимера протекает через камеру облучения 5, где обрабатывается импульсным электронным пучком 4. Расстояние между стенками камеры в направлении распространения электронного пучка 4 должно соответствовать энергии ускоренных электронов так, чтобы пучок полностью прошивал весь слой полимера. Ширина потока полимерного порошка должна быть равна поперечному размеру электронного пучка и для разработанных в настоящее время сильноточных импульсных электронных пучков может достигать 10 см. Учитывая высокую направленность электронного пучка, коэффициент его использования в установке очень высок. Полимер обрабатывают определенным количеством импульсов для достижения необходимой дозы в диапазоне 0.5-7.0 Мрад. Длительность каждого составляет не более тысячных долей секунды. Скорость потока порошка регулируют клапаном 9 и/или системой напуска газа через клапаны 12 таким образом, чтобы за время облучения необходимым количеством импульсов порошок еще находился в камере облучения 5. Получаемый при этом ГОПМ обладает всеми необходимыми свойствами и готов к использованию. В случае необходимости длительного хранения ГОПМ он может быть дополнительно обработан добавками пластификаторов для предотвращения пострадиационной деструкции.

Пример 1.

Для получения ГОПМ был выбран промышленный образец сополимера акриламида и акрилата натрия. Молекулярная масса 6•10⁶, содержание акрилатных звеньев 14%. Порошкообразный полимер был обработан 2 импульсами ускоренных электронов с длительностью импульса 60 нс, энергией электронов 0.3 МэВ и плотностью тока 600 А/см² (импульсная мощность составляет 10¹⁴ рад/с). При этом поглощенная доза составила 1.5 Мрад. С полученным ГОПМ был проведен комплекс лабораторных исследований. Оказалось, что эффективная вязкость водной дисперсии ГОПМ больше эффективной вязкости раствора исходного полимера той же концентрации в 1.75 раз. Степень набухания ГОПМ в воде, измеренная по соотношению объемов равновесно набухшего и сухого ГОПМ, составила 500 ед. Содержание гель-фракции оказалось равным 45%, а молекулярная масса золь-фракции составила 3•10⁶.

Пример 2.

Для оценки тампонирующей способности ГОПМ, полученного в условиях примера 1, были проведены фильтрационные исследования на водонасыщенной модели пласта с использованием натурных кернов. Температура опыта и минерализация использовавшейся воды моделировали условия месторождений Западной Сибири. Эксперимент проводился путем закачки оторочек 0.5% водной дисперсии ГОПМ и их дальнейшего продвижения водой. Высокая тампонирующая способность ГОПМ подтверждается большими значениями фактора сопротивления (табл. 1), полученными при закачке оторочек водной дисперсии ГОПМ объемом 0.3 и 0.5 от общего объема пор модели пласта.

Пример 3.

Порошкообразный полиакриламид был обработан 4 импульсами ускоренных электронов той же длительности и импульсной мощности, при этом поглощенная доза составила 3 Мрад. Для оценки содержания остаточных радикалов были проведены ЭПР-спектроскопические исследования полученного ГОПМ. Измерения показали, что концентрация остаточных радикалов составляет 1•10¹⁸ пмг/г. К полученному ГОПМ добавили пластификатор в количестве 5%. ЭПР-исследования ГОПМ после пластифицирования не выявили существенного содержания свободных радикалов.

Изобретение относится к области нефтедобычи и может быть использовано для повышения эффективности разработки нефтяных месторождений за счет выравнивания профиля приемистости нагнетательных скважин и изоляции водопритока в добывающих скважинах. Технический результат - улучшение реологических свойств и стабильности, снижение радиационной опасности для персонала и окружающей среды. Гелеобразующий полимерный материал для выравнивания профиля приемистости и водоизоляции скважин на основе водорастворимых полимеров акрилового ряда, радиационно-обработанных в твердой фазе, содержит полимеры, обработанные импульсным ионизирующим излучением поглощенной дозой 0,5-7,0 Мрад с длительностью импульсов 10^-8-10^-4 с, причем он дополнительно обработан добавками пластификаторов. Способ получения гелеобразующего полимерного материала для выравнивания профиля приемистости и водоизоляции скважин заключается в том, что порошок водорастворимого полимера акрилового ряда облучают ионизирующим излучением, облучение проводят импульсным ионизирующим излучением с длительностью импульсов 10^-8-10^-4 с и импульсной мощностью 10¹⁰-5•10¹⁴ рад/с до достижения поглощенной дозы 0,5-7,0 Мрад, причем облучение проводят импульсным пучком ускоренных электронов с кинетической энергией не менее 0,3 МэВ. В установке для получения гелеобразующего полимерного материала для выравнивания профиля приемистости и водоизоляции скважин, содержащей источник ионизирующего излучения и устройство подачи порошка полимера в камеру облучения, источник ионизирующего излучения выполнен в виде сильноточного импульсного ускорителя электронов с выводом электронного пучка в камеру облучения, а устройство подачи порошка реализовано по принципу непрерывной подачи порошка в камеру облучения и снабжено регулятором скорости потока порошка через камеру. Причем на выходе ускорителя электронов размещена мишень - конвертор для преобразования электронного пучка в тормозное рентгеновское излучение. 3 с. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Гелеобразующий полимерный материал для выравнивания профиля приемистости и водоизоляции скважин на основе водорастворимых полимеров акрилового ряда, радиационно-обработанных в твердой фазе, отличающийся тем, что содержит полимеры, обработанные импульсным ионизирующим излучением поглощенной дозой 0,5-7,0 Мрад с длительностью импульсов 10^-8-10^-4 с. 2. Гелеобразующий полимерный материал для выравнивания профиля приемистости и водоизоляции скважин по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно обработан добавками пластификаторов. 3. Способ получения гелеобразующего полимерного материала для выравнивания профиля приемистости и водоизоляции скважин, заключающийся в том, что порошок водорастворимого полимера акрилового ряда облучают ионизирующим излучением, отличающийся тем, что облучение проводят импульсным ионизирующим излучением с длительностью импульсов 10^-8-10^-4 с и импульсной мощностью 10¹⁰-5•10¹⁴ рад/с до достижения поглощенной дозы 0,5-7,0 Мрад. 4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что облучение проводят импульсным пучком ускоренных электронов с кинетической энергией не менее 0,3 МэВ. 5. Установка для получения гелеобразующего полимерного материала для выравнивания профиля приемистости и водоизоляции скважин, содержащая источник ионизирующего излучения и устройство подачи порошка полимера в камеру облучения, отличающаяся тем, что источник ионизирующего излучения выполнен в виде сильноточного импульсного ускорителя электронов с выводом электронного пучка в камеру облучения, а устройство подачи порошка реализовано по принципу непрерывной подачи порошка в камеру облучения и снабжено регулятором скорости потока порошка через камеру. 6. Установка для по п. 5, отличающаяся тем, что на выходе ускорителя электронов размещена мишень - конвертор для преобразования электронного пучка в тормозное рентгеновское излучение.