ГИДРОФОБНАЯ ЭМУЛЬСИЯ Российский патент 2006 года по МПК E21B43/00 

Предложение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к технологическим жидкостям на эмульсионной основе, применяющимся в операциях глушения, промывок скважин, обработки призабойной зоны (ОПЗ) пластов, ограничения и изоляции водопритоков, гидроразрыва пластов (ГРП), солянокислотных обработок (СКО) и других операций, проводимых в процессе строительства и эксплуатации нефтяных и газовых скважин.

Известен состав гидрофобной эмульсии, включающий нефть, углеводородный растворитель, минерализованную воду и маслорастворимый эмульгатор-стабилизатор ЭС-2 при следующем соотношении компонентов, мас.%:

нефть10-30,5углеводородный растворитель27,5-29минерализованная вода40-60эмульгатор-стабилизатор0,5-2,5

(см. "Исследование составов обратной эмульсии, обеспечивающих ОПЗ пласта в процессе глушения и текущего ремонта скважин". (Г.А.Орлов, М.Х.Мусабиров и др. - Нефтяное хозяйство, №9, 1986. с.51-54).

Существенный недостаток данной гидрофобной эмульсии - дефицитность и высокая стоимость маслорастворимых поверхностно-активных веществ (ПАВ) - эмульгаторов, стабилизаторов, в частности ЭС-2.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по назначению и технической сущности является гидрофобная эмульсия, содержащая нефть и минерализованную воду (см. "Гидрофобно-эмульсионный раствор для глушения скважин, стабилизированный дегидратированными полиамидами". Г.А.Орлов, М.Х.Мусабиров и др. - Нефтяное хозяйство, №9, 1981, с.50-51). Для эмульгирования и стабилизации гидрофобной эмульсии предварительно в нефть вводят ПАВ маслорастворимый эмульгатор-стабилизатор в количестве 0,5-2,5 мас.%. В качестве минерализованной воды используют водные растворы неорганических солей (NaCl, CaCl₂ и др.), пластовую воду. Гидрофобная эмульсия предназначена для глушения скважин.

Существенный недостаток данной гидрофобной эмульсии - сложность технологии приготовления эмульсии, связанная с необходимостью предварительного ввода и растворения вязких ПАВ-эмульгаторов в нефтяной фазе, особенно в зимнее время года. Вместе с этим ПАВ-эмульгатор, входящий в состав этой эмульсии, является дорогим и дефицитным продуктом.

Техническая задача предлагаемого решения заключается в создании универсального, многоцелевого состава гидрофобной эмульсии на основе доступных, экономичных и технологичных компонентов (за счет активации природных нефтяных ПАВ и компонентов водной среды) при сохранении стабильности полученной эмульсии. Снижение затрат и упрощение технологии приготовления гидрофобной эмульсии достигается за счет исключения из рецептуры маслорастворимых ПАВ-эмульгаторов, стабилизаторов.

Указанная задача решается тем, что известная гидрофобная эмульсия, содержащая нефть и минерализованную воду, дополнительно содержит водорастворимый окислитель при следующем соотношении компонентов, мас.%:

нефть44,5-82,75минерализованная вода17,00-55,00водорастворимый окислитель0,25-0,5

при этом в качестве водорастворимого окислителя используют пероксодисульфат калия, а минерализованная вода содержит ионы железа двухвалентного (Fe²⁺) в количестве от 35 мг/л и более до насыщения.

Принципиальное отличие предлагаемой гидрофобной эмульсии - отсутствие в рецептуре традиционно необходимых маслорастворимых ПАВ-эмульгаторов, стабилизаторов. Эмульгирование и стабилизация дисперсий воды в нефти достигается новым решением - введением в водную фазу нового, нетрадиционного компонента - водорастворимого окислителя, в частности пероксодисульфата калия, при предлагаемом соотношении компонентов и использовании минерализованной воды, содержащей ионы ионы железа двухвалентного (Fe²⁺) в количестве от 35 мг/л и более до насыщения. Эти отличительные признаки придают составу новое свойство - обеспечение качественного эмульсиеобразования и агрегативной стабильности эмульсии во времени (без специальных маслорастворимых эмульгаторов-стабилизаторов) за счет усиления свойств и активации природных нефтяных ПАВ веществами, образующимися в водной фазе эмульсии в результате окислительно-восстановительных реакций.

В основе эффекта стабилизации гидрофобной эмульсии без введения специальных маслорастворимых ПАВ-эмульгаторов лежит способность некоторых веществ при гидролизе, в присутствии определенных ионов металлов, образовывать наиболее сильные химические окислители - пероксид водорода, кислород, хлор, фтор и др. Эти вещества активируют природные ПАВ-компоненты нефти (нафтеновые кислоты, битуминозные вещества, асфальтены, порфириновые комплексы) и усиливают их свойства. Кроме этого, наличие окислителя позволяет преобразовать некоторые пассивные (в отношении поверхностно-активных свойств) вещества в активные формы, в частности в заявляемой гидрофобной эмульсии под действием окислителя соединения Fe²⁺ переходят в соединения Fe³⁺ с гораздо более активными свойствами. Взаимоналожение двух этих процессов (активация природных ПАВ-эмульгаторов нефти и образование поверхностно-активных гидрозолей трехвалентного железа Fe³⁺) позволяет получать стабильную гидрофобную эмульсию без введения специальных маслорастворимых ПАВ-эмульгаторов, стабилизаторов. Таким образом, предлагаемая гидрофобная эмульсия не теряет агрегативную стабильность, обладает высокой технологичностью при приготовлении и использовании, сокращаются материальные затраты за счет исключения маслорастворимых ПАВ-эмульгаторов, расширяется область применения (универсальность и многоцелевое назначение).

Анализ научно-технической и патентной литературы не позволил выявить идентичную совокупность существенных признаков, решающих аналогичную техническую задачу. На основании этого считаем, что предлагаемое нами техническое решение отвечает критерию "новизна" и "изобретательский уровень".

В таблицах 1-3 приведены результаты исследований по синтезу гидрофобных эмульсий без введения традиционных маслорастворимых ПАВ-эмульгаторов и стабилизаторов. В табл.1 - результаты по обоснованию оптимальных соотношений вода/нефть; в табл.2 - результаты по обоснованию оптимальной концентрации водорастворимого окислителя пероксодисульфата калия (ПДСК); в табл.3 - результаты по обоснованию компонентного состава эмульсий и минерализации воды по ионам Fe²⁺.

Таблица 1Исследование составов гидрофобных эмульсий по соотношению водной и нефтяной фазСостав, мас.%Электростабильность по ИГЭР-1, BВязкость, мПа сСтатическое напряжение сдвига, дПаКачество эмульсии, область применения123451. нефть - 30,    пластовая девонская вода^* (ПДВ) - 69,7    
 
 
нетекучая
консистенцияПДСК - 0,3400>1500>1502, нефть - 40    ПДВ - 597    ПДСК - 0,3400>150095то же3. нефть - 44,4    ПДВ - 55,3    ПДСК - 0,3380>150084то же4. нефть - 44,5
ПДВ - 55
ПДСК - 0,5   
 
76высоковязкая, стабильная эмульсия для водоизоляционных работ  39013505. нефть-50
ПДВ - 49,7
ИДСК - 0,3   
 
61высоковязкая, стабильная эмульсия для ограничения водопритока  38012806. нефть - 60
ПДВ - 39,75
ПДСК - 0,25   
 
34вязкая стабильная эмульсия для направленных СКС, ГРП  3705607. нефть - 70
ПДВ - 28,55
ПДСК - 0,45   
 
12маловязкая, стабильная эмульсия для промывок и глушения скважин  4501208. нефть - 82,5    ПДВ - 17,25    ПДСК - 0,25400914то же9. нефть - 83
ПДВ - 16,63
ПДСК - 0,37   
 
1малоконцентрированная эмульсия, практически не пригодная для работ  18042Прим. ^* - ПДВ содержит Fe²⁺ 45-58 мг/л

Таблица 2Исследование составов эмульсий по содержанию окислителяСостав, мас.%Электростабильность по ИГЭР-1, ВВязкость, мПа сСтатическое напряжение сдвига, дПаКачество эмульсии, область применения123451. нефть - 50
ПДВ - 49,8
ПДСК - 0,2   эмульсия агрегативно не устойчивая   753902. нефть - 50    ПДВ - 49,76    ПДСК - 0,2490401то же3. нефть - 50
ПДВ - 49,75
ПДСК - 0,25   достаточно стабильная эмульсия для промывок и глушения скважин   1005954. нефть - 50
ПДВ - 49,55
ПДСК - 0,45   вязкая высокостабильная эмульсия для водоизоляционных работ, СКО, ОПЗ пласта, ГРП   490855415. нефть - 60    ПДВ - 39,5    ПДСК - 0550032030то же6. нефть - 60    ПДВ - 39,45    ПДСК - 0,5550032030То же7. нефть - 70    ПДВ - 29,4    ПДСК - 0,650032030То жеТаблица 3Исследование гидрофобных эмульсий по компонентному составу и минерализации воды по железуСостав, мас.%Электростабильность по ИГЭР-1, ВВязкость, мПа сСтатическое напряжение сдвига, дПаКачество эмульсии, область применения123451. нефть - 62
ПДВ (без ионов F²⁺) - 37,5)
ПДСК - 0,4950400эмульсия не получается2. нефть - 45
минер. вода с ионами Fe²⁺ (30 мг/л) - 54,5
ПДСК - 0,585722слабоустойчивая эмульсия3. нефть - 45
минер. вода с ионами Fe²⁺ (35 мг/л) - 54,75
ПДСК - 0,25   устойчивая вязкая29079030эмульсия для операций СКО, ОПЗ и ВИР4. нефть - 70
минер. вода с ионами Fe²⁺ (71 мг/л) - 29,75
ПДСК - 0,25   стабильная качественная эмульсия многоцелевого назначения   350210155. нефть - 70    минер. вода с ионами Fe²⁺ (190 мг/л, насыщение) - 29,75   то жеПДСК - 0,2536022017 6. дизельное топливо - 50
ПДВ - 49,5
ПДСК - 0,5   эмульсия не получается553507. нефть - 50    р-р CaCl₂ - 49,65
ПДСК - 0,3565350 
то же

Для приготовления составов были использованы следующие материалы: нефть девонская, плотностью 859 кг/м³, вязкостью 8 мПас; дизельное топливо, дистиллят - известные нефтепродукты без содержания природных ПАВ-эмульгаторов; минерализованная вода - пластовая девонская плотностью 1180 кг/м³ и содержанием ионов железа двухвалентного от 35 мг/л и более, а также пластовые воды с меньшей минерализацией по ионам железа; раствор хлористого кальция без ионов железа; пероксодисульфат калия - К₂S₂O₈, сыпучий водорастворимый порошок белого цвета, применяется в быту как средство для отбелки (промышленно освоенный продукт) и в лабораторной практике.

Приготовление составов эмульсий вели следующим образом: навеску ПДСК растворяли в минерализованной воде при перемешивании стеклянной палочкой в течение 1 мин, затем осуществляли перемешивание нефтяной(углеводородной) и водной фазы на лопастной мешалке при числе оборотов 600-800 мин^-1. Время приготовления эмульсий - 15 мин. Замеряли контрольные технологические параметры: электростабильность, плотность, вязкость, статическое напряжение сдвига.

Результаты исследований (см. табл.1-3) убедительно показывают, что оптимальным содержанием нефтяной фазы является диапазон 44,5-82,75 мас.%, минерализованной воды (с содержанием ионов Fe⁺² от 35 мг/л и более) - 17,00-55,00 мас.%, а окислителя пероксодисульфата калия - 0,25-0,50 мас.%. При увеличении содержания нефти более 82,75%, соответственно, уменьшении содержания минерализованной воды менее 17% получаются слабоконцентрированные эмульсии, практически не пригодные к работам. При уменьшении содержания нефти менее 44,5%, соответственно, увеличения содержания водной фазы более 55% получаются очень вязкие, нетекучие эмульсии. При уменьшении концентрации ПДСК менее 0,25% эмульсии агрегативно не устойчивые; увеличение концентрации ПДСК более 0,5% не целесообразно в виду стабилизации параметров на одном уровне. Гидрофобные эмульсии агрегативно не устойчивые при отсутствии в рецептуре нефти (при ее замене на чистые углеводороды). То же самое наблюдается при использовании в качестве водной фазы пресных вод, минерализованных вод без ионов железа Fe²⁺ и при минерализации по Fe²⁺ менее 35 мг/л.

Без жидких маслорастворимых ПАВ-эмульгаторов, стабилизаторов значительно упрощается технология приготовления гидрофобной эмульсии. Отпадает необходимость трудоемкой операции (особенно в зимнее время) предварительного дозирования и перемешивания ПАВ-эмульгаторов в нефти. При этом на промышленных установках экономятся электроэнергия, материалы, буллиты, насосное оборудование. Широкий диапазон регулируемых технологических параметров позволяет отнести новую гидрофобную эмульсию к универсальным и многоцелевым рабочим жидкостям, применяемым в самых различных операциях нефтегазодобычи. Таким образом, предлагаемое новое техническое решение - гидрофобная эмульсия, получаемая без введения специальных ПАВ-эмульгаторов, стабилизаторов, - при широком внедрении в нефтегазодобывающую отрасль промышленности принесет существенную прибыль за счет качественного выполнения своих непосредственных функций и экономии дефицитных и дорогостоящих маслорастворимых ПАВ-эмульгаторов, стабилизаторов. Упрощение технологии приготовления гидрофобных эмульсий за счет применения незамерзающих, технологичных порошковых компонентов позволит значительно увеличить объемы применения высокоэффективных многоцелевых технологических жидкостей на основе универсальной гидрофобной эмульсии в процессах нефтегазодобычи.

Предложение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к технологическим жидкостям на эмульсионной основе, применяющимся в операциях глушения, промывок скважин, обработки призабойной зоны пластов, ограничения и изоляции водопритоков, гидроразрыва пластов, солянокислотных обработок и других операций, проводимых в процессе строительства и эксплуатации нефтяных и газовых скважин. Техническая задача - создание универсального, многоцелевого состава гидрофобной эмульсии на основе доступных, экономичных и технологичных компонентов при сохранении стабильности полученной эмульсии за счет качественного выполнения своих непосредственных функций и экономии дефицитных и дорогостоящих маслорастворимых ПАВ-эмульгаторов, стабилизаторов. Упрощение технологии приготовления гидрофобных эмульсий за счет применения технологичного порошкообразного компонента позволит значительно увеличить объемы применения высокоэффективных многоцелевых технологических жидкостей на основе универсальной гидрофобной эмульсии в процессах нефтегазодобычи. Гидрофобная эмульсия содержит, мас.%: нефть 44,5-82,75, водорастворимый окислитель - пероксодисульфат калия 0,25-0,5, минерализованную воду, содержащую ионы железа двухвалентного (Fe²⁺) в количестве от 35 мг/л и более до насыщения 17,00-55,00. 3 табл.

Гидрофобная эмульсия, содержащая нефть и минерализованную воду, отличающаяся тем, что дополнительно содержит водорастворимый окислитель при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Нефть44,5-82,75Минерализованная вода17,00-55,00Водорастворимый окислитель0,25-0,5

при этом в качестве водорастворимого окислителя используют пероксодисульфат калия, а минерализованная вода содержит ионы железа двухвалентного (Fe²⁺) в количестве от 35 мг/л и более до насыщения.