ПЕНОЭМУЛЬСИОННЫЙ СОСТАВ ДЛЯ ГЛУШЕНИЯ СКВАЖИН Российский патент 2003 года по МПК E21B43/12 C09K7/08 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к пенообразующим составам, и может быть использовано для глушения скважин при проведении ремонтных работ в условиях аномально низких пластовых давлений (АНПД).

Анализ существующего уровня техники показал следующее.

Известен пеноэмульсионный состав для глушения скважин, рецептура которого имеет следующее соотношение компонентов, мас.об.%:
Углеводородная жидкость, например газовый конденсат - 17-32
Эмульгатор, например конденсированная сульфит-спиртовая барда (КССБ) - 5-13
Хлористый кальций - 16-24
Химически осажденный мел (ХОМ) - 3-9
Бихромат калия - 0,4-1,3
Вода - Остальное
(см. патент РФ 2120027 от 14.05.96, по кл. Е 21 В 43/00, 43/12, С 09 К 7/02, опубл. в ОБ 28, 1998 г.).

Недостатком указанного состава являются пониженные физико-химические показатели и технологические свойства. Несмотря на то, что пеноэмульсия имеет пониженные значения фильтрации из-за наличия в ее составе ХОМ, этот ингредиент с увеличением его содержания уменьшает кратность пены. Это не позволяет использовать данный состав для глушения скважин с АНПД (при высоком коэффициенте аномальности) из-за повышенной плотности пеноэмульсии.

Кроме того, деблокирование пласта после глушения вышеприведенным составом необходимо проводить при высокой депрессии, что способствует нарушению структуры пласта и не обеспечивает восстановление его проницаемости. Эти обстоятельства приводят к необходимости дополнительной кислотной обработки пласта при его деблокировании и обусловливают длительный срок освоения скважины в послеремонтный период. В результате присутствия в составе данной эмульсии минерального наполнителя (ХОМ), выполняющего роль твердой фазы и кольматирующего поровое пространство пласта при разрушении пеноэмульсии, даже при обработке пласта кислотой с целью растворения мела восстановить проницаемость пласта до уровня, близкого к доремонтному, не представляется возможным.

Наиболее близким аналогом является пеноэмульсионный состав для глушения скважин, рецептура которого имеет следующее соотношение компонентов, маc.ч.:
Хлорид кальция, водный раствор плотностью 1180-1200 кг/м³ - 100
КССБ, водный раствор 25%-ной концентрации - 25-32
Углеводородная жидкость - 18-26
Торф - 4-12
КОФС - 0,07-0,37
(состав пересчитан из маc.% в маc.ч.: см. патент РФ 2152973 от 26.05.98, по кл. С 09 К 7/08, опубл. в ОБ 20, 2000 г.).

Недостатком указанного состава являются пониженные физико-химические параметры и технологические свойства.

Наличие в пеноэмульсионном составе КОФС понижает кратность пены (зависящую от количества вовлеченного воздуха), несколько увеличивает ее плотность, что ограничивает применение состава в скважинах с АНПД при высоком коэффициенте аномальности. Понижение кратности данной пеноэмульсии обусловлено свойствами фурфурилового спирта (входящего в состав КОФС) как пеногасителя. Состав способен отфильтровывать жидкую фазу при действии перепада давления, что неблагоприятно сказывается на проницаемости продуктивного пласта: взаимодействие породы пласта с минеральным компонентом жидкой фазы пенообразующего состава приводит к изменению структуры пласта как за счет набухания связующего материала породы, так и за счет возможного образования трудно растворимых продуктов реакций хлорида кальция с пластовой водой. При этом проницаемость продуктивного пласта снижается.

Кроме того, высокая закупоривающая способность данного состава, в значительной степени обусловленная адгезионными свойствами гуматов торфа, выполняющих роль клеющего вещества, приводит к необходимости деблокирования пласта после окончания работ при повышенной депрессии (давление деблокирования - см. акт испытаний). Для слабосцементированных рыхлых продуктивных пластов это может привести к дилатансии (переупаковке рыхлых частиц породы с их переуплотнением), что является причиной снижения проницаемости пласта и продуктивности скважины после ремонта.

Снижение емкостно-фильтрационных свойств продуктивного пласта в результате изменения его структуры при повышенной депрессии во время освоения приводит к некоторому уменьшению коэффициента восстановления проницаемости пласта и увеличению сроков вывода дебита скважины на уровень доремонтных значений.

Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемого изобретения, заключается в том, что улучшаются физико-химические параметры пеноэмульсионного состава:
- повышается кратность пены, что обеспечивает расширение диапазона применения состава в различных горно-геологических условиях, в том числе в скважинах с АНПД;
- уменьшаются фильтрационные свойства пенообразующего состава, что позволяет снизить вероятность взаимодействия фильтрата с породой продуктивного пласта и предотвратить снижение его естественной проницаемости;
улучшаются технологические свойства пеноэмульсионного состава:
- снижается давление деблокирования, что обеспечивает сохранение первоначальных емкостно-фильтрационных свойств продуктивного пласта и сокращение сроков освоения скважин;
- повышается коэффициент восстановления проницаемости продуктивного пласта, что сокращает время выхода скважины на доремонтный режим эксплуатации и позволяет получить дополнительное количество газа.

Технический результат достигается с помощью известного пеноэмульсионного состава, содержащего водный раствор хлорида кальция плотностью 1180-1200 кг/м³, водный раствор конденсированной сульфит-спиртовой барды (КССБ) 25%-ной концентрации, углеводородную жидкость и наполнитель растительного происхождения, в котором в качестве наполнителя растительного происхождения используют травяную муку при следующем соотношении компонентов, маc. ч.:
Хлорид кальция, водный раствор плотностью 1180-1200 кг/м³ - 100
КССБ, водный раствор 25%-ной концентрации - 26-28
Углеводородная жидкость - 21-23
Травяная мука - 4-11
КССБ используют по ТУ 39-094-75, хлорид кальция - по ГОСТу 4466-77. В качестве углеводородной жидкости применяют дизтопливо или газоконденсат по ГОСТу 305-82. Травяную муку используют по ГОСТу 18691-88. Корма травяные искусственно высушенные. Технические условия (прилагается).

Травяную муку готовят из растительных отходов зерновых хлебов или зернобобовых, или масличных, или прядильных культур, или смеси трав однолетних и многолетних растений, богатых протеином и клетчаткой. Для приготовления муки могут быть также использованы солома и мякина.

К зерновым культурам относятся пшеница, рожь, ячмень, овес, кукуруза, просо, сорго, рис, гречиха; к зернобобовым - горох, соя, люпин, фасоль, кормовые бобы, чина, нут, чечевица; к масличным - подсолнечник, рапс, арахис, кунжут; к прядильным - хлопок, лен, конопля; к однолетним растениям - донник, вика, сераделла, суданская трава; к многолетним - пырей, клевер, райграс, тимофеевка и др. (см. Вавилов П.П., Гриценко В.В., Кузнецов B.C. Практикум по растениеводству. - М.: Колос, 1983).

Солома, в основном, представлена стеблями и листьями растений, оставшихся после обмолота зрелых семян. Мякина состоит из наружных покровов семян, частиц листьев, остевых частей, недозрелых семян, семенной кожуры.

Основной состав сырья для приготовления травяной муки следующий, мас.%: протеин 4,4-16,9; жир 1,3-7,5; клетчатка 26,4-42,9; безазотистые экстрактивные вещества (БЭВ) 36,2-48,7; зола 7,5-16,5 (см. Состав и питательность кормов: Справочник / И.С. Шумилин, Г.П. Державина, А.М. Артюшин и др.; Под ред. И.С. Шумилина. - М.: Агропромиздат,1986. 303 с.).

В группу БЭВ входят моносахариды (глюкоза, фруктоза, галактоза, арабиноза, манноза, ксилоза), дисахариды (мальтоза, лактоза, сахароза), несахароподобные полисахариды (крахмал, пектины, гемицеллюлозы), растительные гумми и слизи, пигменты, смолы, танины, органические кислоты и т.д.

В таблице приведен основной химический состав травяной муки, приготовленной из различных сельскохозяйственных культур и их отходов.

Исходное сырье для приготовления травяной муки из сельскохозяйственных культур или их отходов предварительно измельчается в сечку с размером частиц до 100 мм в агрегатах типа ИК-3, ИГК-ЗОА, РСС-6 и др. Затем измельченная масса с размером частиц от 20 до 100 мм поступает в универсальные мельницы или дробилки типа АВМ, МДУ и др., где измельчается до степени помола с остатком на сите (размер ячейки 3 мм) не более 5%.

Наличие в составе частиц травяной муки ряда органических соединений с различными функциональными группами обусловливает реализацию коллоидно-физических свойств образующейся дисперсной системы.

Совместное применение используемых ингредиентов способствует получению пеноэмульсионного состава, обладающего комплексом физико-химических и технологических свойств, обеспечивающих эффективность глушения скважин с АНПД в процессе проведения ремонтных работ.

Протеины (белки), являясь поверхностно-активными веществами, обладают некоторыми особыми свойствами, отличающими их от синтетических ПАВ и мыл. Формирование равновесного адсорбционного слоя объясняется диффузией глобулярных молекул к межфазной поверхности и развертыванием на ней полипептидной цепи, препятствующей истечению жидкости из пены. Этому же способствует также упрочнение адсорбционных слоев пузырьков воздуха образовавшимися глобулами углеводородной жидкости (УЖ), которые являются второй дисперсной фазой (помимо воздуха) в водной дисперсионной среде. При этом ПАВ на основе лигносульфонатов модифицированной КССБ в соответствии с реакциями на фиг.1 адсорбируются на поверхности капли УЖ, ориентируясь гидрофобными концами в сторону капель УЖ, а гидрофильными - в водный раствор. Такие глобулы упрочняют окружающие воздушный пузырек поверхностные слои адсорбционной пленки, препятствуя истечению жидкости из пены.

Более высокая кратность пены (в сравнении с прототипом) также обусловлена содержанием в составе травяной муки ПАВ-протеинов, а также БЭВ, которые совместно с КССБ обусловливают интенсивное вспенивание заявляемого состава. В прототипе же используется КОФС, который по компонентному составу является пеногасителем, чем объясняется пониженная кратность пены. Повышение кратности пены заявляемого состава позволяет осуществлять глушение скважин с АНПД при высоком коэффициенте аномальности и расширить диапазон использования пеноэмульсионного состава.

Присутствием соединений различного строения объясняется способность частиц травяной муки к набуханию, образованию высоковязких веществ с разветвленными молекулами (гумми и слизи), кальциевых солей сложного состава.

Набухание высокомолекулярных соединений (ВМС), которыми представлена клетчатка (крахмал), с общей формулой (С₆Н₁₀O₅)n обусловлено процессом осмоса молекул воды в частицы травяной муки. При этом значительно меньшие по размеру молекулы воды легко проникают в межмолекулярное пространство ВМС полисахаридов, имеющих линейную и разветвленную структуру. Схематическое строение полисахаридов приведено на фиг.2 (а,б). Объем и масса частиц травяной муки в результате набухания могут увеличиваться в 5-8 раз.

Растительные гумми и слизи, содержащие полисахариды, в состав которых входят гексозы, D-гексуроновые кислоты, пентозы и метилпентозы, представляют собой продукты с сильно разветвленными молекулами. Благодаря склонности образовывать высоковязкие растворы клеющих веществ они увеличивают вязкость дисперсионной среды.

Таким образом, при полном поглощении воды клетчаткой травяной муки образуется система, в которой дисперсные частицы ВМС распределены в дисперсионной водной среде повышенной вязкости, которая в результате диффузии молекул воды в межмолекулярное пространство ВМС перестает быть сплошной, а выполняет роль прослоек между отдельными частицами травяной муки. Это в значительной степени понижает фильтрационные свойства (повышает давление начала фильтрации) предлагаемого пеноэмульсионного состава.

Гемицеллюлозы представлены смесями различных полисахаридов, состав которых зависит от сорта растения. В травах содержатся пентозаны, которые при гидролизе распадаются на несбраживаемые альдопентозы. К гемицеллюлозам относятся также полисахариды, содержащие уроновые кислоты.

Карбоксильные группы уроновых кислот гемицеллюлозы и D-гексуроновых кислот растительных гумми при взаимодействии с ионами кальция образуют кальциевые соли, играющие положительную роль в упрочнении поверхностных адсорбционных слоев пузырьков пены и уменьшающие ее фильтрационные свойства.

Получение достаточно стабильной пенной системы с высокой кратностью обусловливает возможность равномерного распределения в ней частиц травяной муки, выполняющих роль твердой фазы. Органоминеральный состав травяной муки предопределяет возможность ее физико-химического взаимодействия с образующими пенную систему компонентами, в результате которого резко повышаются структурно-механические свойства пеноэмульсионного состава в целом, его устойчивость внешнему воздействию и другие технологические показатели.

Блокирующие свойства заявляемого пеноэмульсионного состава реализуются благодаря образованию сетчатой структуры из волокон и отдельных частиц травяной муки, ячейки которой заполнены пузырьками воздуха и глобулами углеводородной жидкости, являющейся второй дисперсной фазой пеноэмульсионной системы.

Пеноэмульсионный состав с такой структурой выдерживает достаточно высокие перепады давления на пласт, однако легко (при низких давлениях) удаляется из пласта при депрессии в процессе его деблокирования. Это обусловлено тем, что адсорбционные слои дисперсной фазы представлены соединениями со значительно более слабой адгезионной способностью, чем при использовании торфа. При этом не происходит склеивания отдельных волокон и частиц наполнителя (травяной муки), как у торфа за счет большого содержания в нем гуматов. В результате заявляемый пеноэмульсионный состав легко удаляется из пласта при минимальных значениях давлений деблокирования. Кроме того, деблокирование пласта при низкой депрессии исключает возможность дилатансии, в результате которой может быть снижена естественная проницаемость продуктивного пласта.

За счет высокого давления начала фильтрации (то есть низкого показателя фильтрационных свойств) заявляемого состава, а также наличия в применяемой травяной муке органических ингредиентов, способных взаимодействовать с ионами кальция дисперсионной среды, уменьшается вероятность попадания жидкой фазы блокирующего состава в пласт и ее взаимодействия с породой, что обычно приводит к набуханию последней или кольматации ее порового пространства продуктами реакций.

Таким образом, в совокупности вышеуказанные свойства пеноэмульсионного состава способствуют более полному восстановлению естественной проницаемости продуктивного пласта.

Анализ изобретательского уровня показал следующее.

Известно использование бактеризованной травяной муки в смеси с очищенным глиноземом, мелкодисперсным торфом и аммиачной селитрой с целью повышения степени очистки в способе очистки воды от пестицидов (см. а.с. 912661 от 01.04.80 г., по кл. С 02 F 1/28, опубл. в ОБ 10, 1982 г.); известно использование травяной муки в качестве высокомолекулярного реагента в смеси с оксидом кальция в способе обезвреживания нефтемаслосодержащего отхода с целью повышения степени обезвреживания (см. пат. 2154617 РФ от 28.09.98 г., по кл. С 02 F 11/14, опубл. в ОБ 23, 2000 г.), в способе получения углеродно-минерального адсорбента в качестве наполнителя в смеси с отработанным глиносодержащим буровым раствором с целью улучшения технических характеристик адсорбента (см. пат. 2151638 РФ от 28.09.98 г., по кл. В 01 J 20/00, 20/08, 20/20, опубл. в ОБ 18, 2000 г.).

Нами не обнаружены источники патентной документации и научно-технической литературы, описывающие применение травяной муки в пеноэмульсионных составах для глушения скважин по заявляемой функции. Таким образом, достигаемый технический результат обусловлен неизвестными свойствами ингредиентов рассматриваемого состава и связями между ними. Изобретение явным образом не следует из известного уровня техники, т.е. соответствует условию изобретательского уровня.

Более подробно сущность заявляемого изобретения описывается следующими примерами.

Пример 1. Скважина 504 Северо-Ставропольского ПХГ была заглушена с целью проведения ревизии НКТ.

Данные по скважине
Эксплуатационная колонна ⊘168х8,9 мм - 759,80 м
Насосно-компрессорные трубы ⊘73 мм - 692,82 м
Искусственный забой - 739,98 м
Текущий забой - 692 м
Интервал перфорации - 680-705 м
Трубное давление - 2,22 МПа
Затрубное давление - 2,50 МПа
Пластовое давление - 2,80 МПа
Дебит - 230 тыс.м³/сут
Для глушения скв. 504 было необходимо приготовить 8 м³ пеноэмульсионного состава (ПЭС). Для этого использовались два цементировочных агрегата ЦА-320 и блок приготовления пенообразующего состава из двух емкостей (БППС).

В емкости БППС меньшего объема готовят 4,8 м³ или 5664 кг (100 мас.ч.) раствора хлорида кальция плотностью 1180 кг/м³. Для этого 1133 кг хлорида кальция растворяют при перемешивании с помощью ЦА-320 в 4531 л воды.

В другой емкости БППС большего объема готовят 1,4 м³ или 1586 кг (28 мас.ч.) 25%-го раствора КССБ плотностью 1113 кг/м³. Для этого 397 кг порошкообразного КССБ растворяют в 1189 л воды при периодическом перемешивании насосом ЦА-320. Выдерживают в течение 1 сут для полного растворения лигносульфонатов КССБ. Затем в эту же емкость добавляют 1,6 м³ или 1303 кг (23 маc. ч. ) дизельного топлива плотностью 808 кг/м³ и смесь перемешивают, используя ЦА-320, до получения устойчивой эмульсии.

С помощью ЦА-320 при перемешивании в емкость с эмульсией подают приготовленный ранее в отдельном резервуаре раствор хлорида кальция (4,8 м³). Как только в смеси будут отмечены первые признаки вспенивания, в нее вводят при постоянном перемешивании 623 кг (11 мас.ч.) травяной муки из гречишной мякины, измельченной до степени помола с остатком на сите (размер ячейки 3 мм) не более 5%. Смесь перемешивают до получения готовой к применению однородной дисперсии травяной муки в пенообразующей жидкости.

Нагнетание полученной пенообразующей жидкости с травяной мукой в скважину под давлением 2,82 МПа, превышающим давление газа на устье, осуществляется ЦА-320 через включаемый в обвязку трубного или затрубного пространства жидкостно-газовый эжектор с целью аэрации дисперсии травяной муки и образования ПЭС.

После глушения скважины ПЭС проводят ремонтные работы. По их окончании продуктивный пласт деблокируют при депрессии 150 кПа, а затем производят освоение скважины двухфазной пеной, плавно снижая противодавление на пласт до получения притока газа.

В результате применения ПЭС время выхода скважины на доремонтный режим эксплуатации (с дебитом 230 тыс. м³/сут) сокращается с 30 до 3 суток.

В лабораторных условиях готовят ПЭС, смешивая следующие компоненты, маc. ч./г:
Хлорид кальция, водный раствор ρ=1180 кг/м³ - 100/200 или используют 170 мл раствора указанной плотности
КССБ, водный раствор 25%-ной концентрации - 28/56-50 мл ρ=1113 кг/м³ или растворяют 14 г КССБ в 42 мл воды
Дизельное топливо ρ=808 кг/м³ - 23/46 или используют 57 мл
Травяная мука из гречишной мякины - 11/22
Полученный ПЭС имеет следующие физико-химические параметры: кратность пены 2,1 и давление начала фильтрации 6,0 МПа, а также технологические свойства: давление деблокирования 150 кПа, коэффициент восстановления проницаемости 0,97.

Пример 2. Готовят в лабораторных условиях ПЭС, смешивая следующие компоненты так, как указано в примере 1, маc. ч./г:
Хлорид кальция, водный раствор ρ=1200 кг/м³ - 100/200 или используют 167 мл раствора указанной плотности
КССБ, водный раствор 25%-ной концентрации - 26/52-47 мл ρ=1113 кг/м³ или растворяют 13 г КССБ в 39 мл воды
Газоконденсат ρ=740 кг/м³ - 21/42 или используют 57 мл
Травяная мука из корзинок подсолнечника - 4/8
Полученный ПЭС имеет следующие физико-химические параметры: кратность пены 2,4 и давление начала фильтрации 2,8 МПа, а также технологические свойства: давление деблокирования 100 кПа, коэффициент восстановления проницаемости 0,98.

Пример 3. Готовят в лабораторных условиях ПЭС, смешивая следующие компоненты так, как указано в примере 1, маc. ч./г:
Хлорид кальция, водный раствор ρ=1190 кг/м³ - 100/200 или используют 168 мл раствора указанной плотности
КССБ, водный раствор 25%-ной концентрации - 27/54-49 мл ρ=1113 кг/м³ или растворяют 13,5 г КССБ в 40,5 мл воды
Дизельное топливо ρ=808 кг/м³ - 22/44 или используют 60 мл
Травяная мука из стеблей хлопка - 7/14
Полученный ПЭС имеет следующие физико-химические параметры: кратность пены 2,5 и давление начала фильтрации 3,3 МПа, а также технологические свойства: давление деблокирования 40 кПа, коэффициент восстановления проницаемости 0,98.

Содержание КССБ в составе менее 26 мас.ч., а углеводородной жидкости менее 21 мас.ч. нецлесообразно, т.к. не обеспечивает образования пенной системы с требуемыми технологическими параметрами.

Содержание КССБ в составе более 28 мас.ч., а углеводородной жидкости более 23 мас. ч. нецелесообразно, т.к. существенного повышения технологических свойств состава не происходит.

Содержание травяной муки в составе менее 4 мас.ч. нецелесообразно, т.к. ухудшает структурно-реологические и фильтрационные свойства пенной системы, ее блокирующий эффект, а более 11 мас.ч. снижает кратность пены и коэффициент восстановления проницаемости пласта, а также затрудняет закачивание пенного состава в скважину, его доставку в зону продуктивного пласта из-за резкого повышения реологических параметров.

Применение водного раствора хлорида кальция плотностью менее 1180 кг/м³ нецелесообразно, т. к. приводит к снижению давления начала фильтрации (то есть повышаются фильтрационные свойства и блокирующий эффект от применения состава из-за недостаточного количества хлорида кальция для полного взаимодействия с КССБ и ингредиентами травяной муки), а применение раствора хлорида кальция плотностью выше 1200 кг/м³ не обеспечивает повышения технологических свойств состава, поэтому экономически нецелесообразно.

По сравнению с прототипом заявляемый пенообразующий состав имеет повышенную на 18-71% кратность пены, давление начала фильтрации повышается в 1,3-11,7 раза, коэффициент восстановления проницаемости увеличивается на 5,4-7,6%, а давление деблокирования уменьшается в 1,7-20 раз.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к пенообразующим составам, и может быть использовано для глушения скважин при проведении ремонтных работ в условиях аномально низких пластовых давлений. Техническим результатом является улучшение физико-химических параметров пеноэмульсионного состава: повышение кратности пены, уменьшение фильтрационных свойств, снижение давления деблокирования, повышение коэффициента восстановления проницаемости продуктивного пласта. Пеноэмульсионный состав для глушения скважин, включающий водный раствор хлорида кальция плотностью 1180-1200 кг/м³, водный раствор конденсированной сульфит-спиртовой барды КССБ 25%-ной концентрации, углеводородную жидкость и наполнитель растительного происхождения, в качестве наполнителя растительного происхождения содержит травяную муку, при следующем соотношении компонентов, мас.ч.: указанный раствор хлорида кальция 100, указанный раствор КССБ 26-28, углеродная жидкость 21-23, травяная мука 4-11. Причем в качестве травяной муки используют измельченные растительные отходы зерновых хлебов, или зернобобовых, или масличных, или прядильных культур, или смеси трав однолетних и многолетних растений. 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 2 ил.

1. Пеноэмульсионный состав для глушения скважин, состоящий из водного раствора хлорида кальция плотностью 1180-1200 кг/м³, водного раствора конденсированной сульфит-спиртовой барды КССБ 25%-ной концентрации, углеводородной жидкости и наполнителя растительного происхождения, отличающийся тем, что в качестве наполнителя растительного происхождения он содержит травяную муку при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:
Хлорид кальция, водный раствор плотностью 1180-1200 кг/м³ - 100
КССБ, водный раствор 25%-ной концентрации - 26-28
Углеводородная жидкость - 21-23
Травяная мука - 4-11
2. Состав по п.2, отличающийся тем, что в качестве травяной муки содержит измельченные растительные отходы зерновых хлебов, или зернобобовых, или масличных, или прядильных культур, или смеси трав однолетних и многолетних растений.