Композиция, способ и реагент для нефтедобычи Российский патент 2021 года по МПК C09K8/88 E21B43/22 

Изобретение относится к области нефтедобычи и может быть использовано для увеличения добычи нефти на поздних стадиях разработки продуктивных пластов с терригенными и карбонатными коллекторами.

При продолжительной добыче нефти с использованием технологии поддержания пластового давления в нагнетательных скважинах в глубине пласта возникают промытые водой зоны между нагнетательными и добывающими скважинами, по которым и происходит основное движение воды. Следствием является снижение эффективности вытеснения нефти из пласта, снижение доли нефти в извлекаемой продукции и рост затрат на работу насосного оборудования.

Одним из наиболее известных приемов повышения эффективности добычи нефти является создание гелевых экранов в промытых зонах пласта. Наиболее часто для этой цели используют полимерные гели на основе полиакриламида. При этом можно выделить два направления создания полимерно-гелевого экрана в пласте. Одно из направлений предполагает закачку в пласт раствора полиакриламида с добавкой медленно действующего сшивателя (Гумерова Г.Р., Яркеева Н.Р. Технология применения сшитых полимерных составов. Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». - 2017, №2. С. 63-78). Сущностью такого способа является подбор концентраций полимера и сшивателя, при которых первоначально приготовленный технологический раствор в течение определенного времени, называемом временем гелеобразования, не образует гель, что позволяет использовать это время для закачки его в пласт. После закачки в пласт эта система образует в промытых водой зонах гелевый экран. Последующие порции закачиваемой воды, в дальнейшем, огибают область пласта, заполненную гелем, и производят вытеснение нефти из областей пласта, не охваченных заводнением. В качестве сшивателей используются вещества, содержащие атомы Cr⁺³ и Al⁺³, например, ацетат хрома или цитрат алюминия, хромокалиевые квасцы и т.п. Медленное сшивание при использовании таких методов достигается либо медленно работающими сшивателями, такими как ацетат хрома, либо применением низких концентраций полимера и сшивателя для снижения скорости сшивания.

Недостатком такого способа является низкая селективность в неоднородных по проницаемости пластах. Это происходит вследствие низкой первоначальной вязкости системы, которая фильтруется при закачке в пласт не только в высокопроницаемые зоны пласта, но и в низкопроницаемые зоны.

Более эффективными являются способы, основанные на закачке в пласт дисперсных полимерных гелевых систем, в которых полимерные гели в виде небольших частичек готовятся до закачки в пласт и в таком виде поступают в промытые зоны пласта. Особенно эффективны такие методы в неоднородных по проницаемости пластах. Движение частичек гелей происходит в этом случае только по высокопроницаемым зонам терригенных коллекторов - суперколлекторах и трещинам карбонатных коллекторов. В низкопроницаемые зоны такие системы не поступают.

В свою очередь в указанной группе методов можно выделить два подхода, отличающихся концепцией по соотношению размеров отдельных гелей и размеров пор или каналов в пласте, по которым эти частицы могут двигаться.

Предполагается, что гели с размером частиц менее 10 мкм эффективно влияют на потоки пластовых флюидов. Примером использования таких систем является способ, где используют коллоидные частицы полиакриламида или полисахарида или эфира целлюлозы, содержащие 0.005-0.5% указанных полимеров, и полиоксихлорид алюминия (Патент RU №2298088), и состав для добычи нефти, содержащий микродисперсные гели (Патент RU(11)2215870).

Недостаток способа и состава - низкая эффективность в высокопроницаемых коллекторах из-за малых размеров коллоидных частиц, которые легко проходят через поровые каналы и не создают необходимого сопротивления в неоднородных пластах. Поэтому более эффективным способом регулирования потоков в неоднородном пласте является применение дисперсных полимерно-гелевых систем с размером гелей большим, чем размер основных поровых каналов. Примером является способ добычи нефти, в котором используется закачка в пласт полимерно-гелевой системы «Темпоскрин» (АС СССР №1669404 от 03.04.1989) на основе воды и суспензии порошка полиакриламида, обработанного ионизирующим излучением. Сущность способа состоит в том, что при обработке гранул порошка полиакриламида ионизирующим излучением происходит радиационно-химическое сшивание линейных молекул полиакриламида в объеме полимерной гранулы. Гранулы, имеющие первоначальный размер около 0.5 мм, при контакте с водой связывают в гель до 1000 объемов воды, увеличиваясь в размерах до 10 мм. Размер таких гелевых частиц больше чем размер пор, и поэтому они, в первую очередь, поступают в наиболее крупные промытые каналы пласта и имеют при этом наибольшую селективность по отношению к размеру каналов.

Недостатком радиационно-сшитого полиакриламида является ограничение применения при температуре пласта более 60°С.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является реагент для нефтедобычи и способ нефтедобычи с его использованием (Патент RU №2562642 от 16.05.2014. МПК: С02 Е21В 43/22). Указанный способ включает закачку в нагнетательную скважину оторочки, содержащей водный раствор хлоридов натрия и кальция с минерализацией 4-40 г/л или пластовой воды с той же минерализацией и реагент, содержащий порошкообразный полиакриламид с молекулярной массой 14-25 млн. ед. и степенью гидролиза 20-30%, обработанный ионизирующим излучением дозой 3-20 кГр ускоренными электронами с энергией 5-10 Мэв, в составе композиции, содержащей дополнительно 5-20% от массы ПАА стабилизатора - порошка сульфата алюминия или алюмокалиевых квасцов, выполняющих роль ионного модификатора в воде и дополнительного сшивающего растворимую фракцию полиакриламида, присутствующую изначально в радиационно-сшитом полиакриламиде, что ведет к получению частиц макрогелей,

Недостатком способа является сложность, связанная с необходимостью использования специального оборудования для обработки ионизирующим излучением, а также недостаточная для ряда месторождений термическая стабильность - 80°С. Целью изобретения является упрощение процесса добычи нефти за счет исключения стадии предварительной обработки полимера ионизирующим излучением, расширение области применения на пласты с температурой более 80°С и повышение эффективности выравнивания профиля приемистости нагнетательных скважин с неоднородными пластами за счет улучшенных упругих свойств гелей.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе нефтедобычи, включающем закачку в пласт композиции, содержащей упругие частицы дисперсных макрогелей гидролизованного полиакриамида и связанных с ним ионов трехвалентного металла, новым является то, что каждая из частиц содержит 0.5-5% масс молекул полиакриламида со степенью гидролиза 5-30%, структурно связанных в пределах одной частицы ионами Cr⁺³ и молекулами пластовой или подтоварной воды в частицах объемом 1-1000 мм³, при этом материал геля имеет модуль упругости в пределах 5-100 кПа, а в общем объеме композиции частицы занимают 30-90% ее объема. Указанные пределы объемов гелевых частиц, модуля упругости и объемной доли в гелевой системе, в совокупности, нацелены на обеспечение получения наибольшего количества дополнительной нефти. Так, например, заявляемый объем связываемой воды в частице в интервале 1-1000 мм³ означает соответственно диапазон размеров частиц гелей в интервале 1-10 мм и совпадает с диапазоном размеров частиц гелей в прототипе. То же имеет место и по интервалу модулей упругости. Чрезмерно упругие гели - с модулем упрости более 100 кПа - с большой долей вероятности могут быть отфильтрованы в интервале перфорации и внедриться в пласт. Интервал объема гелей 30-90% связан с требованиями обеспечения возможности закачки композиции в пласт, так как, например, при 100%-ом содержании гелей сопротивление, возникающее при закачке композиции, может превысить пределы давления, устанавливаемые при работе нагнетательных скважин.

Новым является способ нефтедобычи, включающий закачку в нагнетательную скважину воды из системы поддержания пластового давления и оторочек указанной композиции, изготавливаемой непосредственно на скважине в реакции между частично набухшими частицами полиакриламида и ионами Cr⁺³ (ионный модификатор) в воде во взвешенном состоянии при их суммарной концентрации до 2% до стабилизации объема осадка дисперсных гелей, но не менее 30 минут. Для ускорения работ на скважине целесообразно порошкообразные компоненты - полиакрил амид и модификатор - объединять в виде реагента - состава, содержащего 2-8% основного сульфата хрома или хромовых квасцов и полиакриламида.

Сущность изобретения состоит в том, что композиция для нефтедобычи, содержащая дисперсные структурированные гелевые частицы, готовится смешением доступных порошкообразных компонентов с водой непосредственно на скважине в неравновесных (относительно набухания гранул полимера) условиях. Физико-химический механизм образования дисперсной полимерно-гелевой системы по предлагаемому изобретению основан на контролируемом локальном сшивании молекул полиакриламида в объеме полимерной гранулы в состоянии неравновесного набухания.

Контролируемое локальное сшивание полимера в грануле можно рассматривать как химическую реакцию между гранулой полимера (совокупность физически связанных макромолекул) с молекулами воды и ионами Cr⁺³. Продуктом реакции является гелевая частица как самостоятельная кинетическая единица:

где m, n - целые числа.

Если в процессе проведения реакции предотвращать слипание гранул за счет постоянного перемешивания, то полимер из гранулы полностью войдет в гелевую частицу, а это является образованием дисперсной полимерно-гелевой системы.

Процесс приготовления полимерной композиции, содержащей дисперсные гели, исключает целую стадию сшивания, присутствующую в прототипе. Кроме того, как показывает результат лабораторных испытаний, получаемые при этом дисперсные гели обладают также большей термической стабильностью.

Реализация предлагаемого способа нефтедобычи имеет по сравнению с прототипом следующие преимущества: упрощение технологии за счет устранения стадии обработки полимера ионизирующим излучением и связанное с этим снижение затрат на скважино-обработку; расширение области применения способа на месторождения нефти с более высокой пластовой температурой.

Пример 1.

Для сравнения с предшествующим уровнем техники проведены лабораторные исследования свойств композиции, полученной по способу-прототипу (Патент RU №2562642 от 16.05.2014. МПК: С02 Е21В 43/22).

Данные по эффективности применения одного из вариантов прототипа на реальном месторождении приведены в работе: Каушанский Д.А., Демьяновский В.Б., Сурмаев А.В. и др. Результаты физико-химического воздействия на продуктивные пласты вятской площади Арланского месторождения полимерно-гелевой технологией «Темпоскрин» // Нефтепромысловое дело. №11, 2010. С. 19-24. Для проведение лабораторного сравнения предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом проведены лабораторные сравнительные исследования, в которых измеряли их основные физико-механические свойства, термическую стабильность и сравнивали отдельные этапы применения технологий на основе разных способов.

С этой целью проведено лабораторное моделирование процесса приготовления реагента-прототипа и изучение основных физико-механических свойств полимерно-гелевой системы на его основе. Приготовлен образец для испытаний следующим образом. 100 грамм гранулированного гидролизованного полиакриламида фракции 0.1-1 мм с молекулярной массой 18*10^6 ед. обработали ионизирующим излучением дозой 5 кГр. Далее в емкости с мешалкой произвели одновременное перемешивание 1,0 г полимера и 0,05 грамм алюмокалиевых квасцов и перемешивали в воде с минерализацией 17 г/л до образования композиции, содержащей дисперсные гели. Готовую композицию дисперсных гелей исследовали по следующим показателям:

- общий объем осадка, образующегося при отстаивании системы в течение 20 минут;

- гидравлическое сопротивление при продавливании композиции через капиллярный канал размером 1.0, 1.6, 2.0, 2.5, 3.0 мм под действием давления, создаваемого воздушным компрессором;

- доля полимера в гелевой частице;

- размер наиболее крупных частиц гелей;

- объем наиболее крупных частиц гелей;

- модуль упругости отдельных частиц;

- изменение объема гелей после термической обработки при температуре 95°С в течение 72 часов (измерение термической стабильности).

Измерение реологических свойств проводили путем определения максимального давления, при котором композиция продавливается через капиллярное отверстие. Расчет модуля упругости материала дисперсных гелей проводили по формуле и методике, предложенной в работе: Барабанов В.Л., Демьяновский В.Б., Каушанский Д.А. Изучение реологической неоднородности жидких систем на примере набухших в воде дисперсных гелей полиакриламида // Научное сетевое издание «Актуальные проблемы нефти и газа». 2016. №1 (13). С.4.

Определение размеров гелевых частиц проводили методом микроскопии с фиксацией результатов цифровой камерой. Термическую обработку гелевой композиции проводили в закрытых емкостях при температуре 95°С в течение 72 часов в термическом шкафу. Результаты представляли как отношение объема геля после термической обработки к исходному объему геля.

Результаты определения гидравлического сопротивления композиции через капиллярные каналы сравнивали с результатами течения чистой воды при постоянных параметрах работы воздушного компрессора. Параметры работы воздушного компрессора: производительность 200 мл в минуту при отсутствии сопротивления на выходе и максимальное развиваемое давление 50 кПа.

Результаты испытаний свойств воды, а также композиции-прототипа и способа-прототипа представлены в таблице 1 (п.1 и п. 2). Из представленных данных видно, что композиция-прототип позволяет получить полимерно-гелевую систему, образующую дисперсный осадок геля в объеме 55%. Эта композиция не протекает (в отличие от воды) через капиллярный канал размером 1 мм, но протекает (как и вода) через канал размером 3 мм. При этом размер гелевых частиц составляет максимально 2,5 мм, их объем - 15,6 мм³, а модуль упругости составляет 33 кПа. После термической обработки объем гелей составляет 65% от исходного объема.

Пример 2.

В настоящем примере приведены результаты лабораторного исследования свойств композиции и реагента, полученных с использованием предлагаемого технического решения.

Для получения полимерно-гелевой композиции 1 г порошка полиакриламида с размером частиц 0,2-1,0 мм, степень гидролиза 18%, смешали с 0,05 г порошка основного сульфата хрома и получили смесовый порошок-реагент, в котором содержание основного сульфата хрома составило 5% масс. Полученную смесь постепенно добавляли в емкость с работающей мешалкой с моделью пластовой воды хлоркальциевого типа с минерализацией 200 г/л и в течение 60 минут за счет работы мешалки поддерживали гранулы ПАА во взвешенном состоянии. Периодически перемешивание прекращали и после седиментации осадка фиксировали его объем. После прекращения роста объема осадка считали композицию готовой для исследования.

Вид исследования и условиях испытаний были такими же, что при испытании прототипа в примере 1. Кроме того в таблице 1 приведены фотографии частиц гелей - компонентов композиции, а также фотография гранул исходного полимера (п.4 табл. 1) с масштабной линейкой. Фотографии гелевых частиц и гранул полимера приведены в одном масштабе. Результат испытаний данной композиции представлен в п. 3 Таблицы 1. Из представленных результатов видно, что при контакте в течение 60 минут гранул ПАА и гранул основного сульфата хрома в воде с минерализацией 200 г/л при перемешивании произошло образование дисперсной полимерно-гелевой системы со следующими свойствами:

- объемная доля гелей 54%,

- максимальное гидродинамическое сопротивление движению гелевых частиц через отверстие диаметром 2.0 мм составляет 28 кПа., что выше, чем в прототипе, а через отверстие диаметром 3 мм такое же как в прототипе - около 0 кПа. Содержание полимера в гелевой частице 1.8%,

- модуль упругости материала гелевой частицы - 72 кПа (в прототипе 33 кПа). Термическая стабильность предлагаемой композиции равна 78%, по сравнению с 65% у прототипа.

Из этих данных и данных таблицы 1 можно сделать вывод, что предлагаемая композиция, содержащая дисперсные гели, по своим механическим свойствам аналогична прототипу, но при этом имеет место более высокая термическая стабильность. Кроме того сравнивая процесс получения композиции предлагаемым способом со способом-прототипом видно, что предлагаемая схема процесса более проста в реализации.

Результаты исследования свойств предлагаемой композиции, способа приготовления и реагента при использовании различных концентраций реагентов для случая реагентов на основе различных полимеров акрил амида с различной степенью гидролиза и различных производителей., а также двух типов ионных модификаторов - компонентов реагента -основного сульфата хрома и хромокалиевых квасцов приведены в примерах п. 5-12 таблицы 1.

Настоящее иэобретение относится к области нефтедобычи и может быть использовано для увеличения нефтедобычи на поздних стадиях разработки продуктивных пластов с терригенными и карбонатными коллекторами. Технический результат - упрощение процесса добычи нефти за счет исключения стадии предварительной обработки полимера ионизирующим излучением, расширение области применения на пласты с температурой более 80°С и повышение эффективности выравнивания профиля приемистости нагнетательных скважин с неоднородными пластами за счет улучшенных упругих свойств гелей. Композиция для нефтедобычи, содержащая частицы дисперсных гелей гидролизованного полиакриламида, связанные с ними ионы трехвалентного металла и воду, где каждая из частиц содержит 0.5-5% мас. молекул полиакриламида со степенью гидролиза 5-30%, структурно связанных в пределах одной частицы ионами Cr⁺³ и молекулами пластовой или подтоварной воды, в частицах объемом 1-1000 мм³, при этом материал геля имеет модуль упругости в пределах 2-80 кПа, а в общем объеме композиции частицы занимают 30-90% ее объема. Способ нефтедобычи, включающий закачку в нагнетательную скважину воды из системы поддержания пластового давления и оторочек композиции, указанной выше, в котором осуществляют синтез указанной композиции в технологической емкости непосредственно на скважине в реакции между частично набухшими частицами полиакриламида и ионами Cr⁺³ - ионного модификатора в воде во взвешенном состоянии при их суммарной концентрации до 2% в воде до стабилизации объема осадка дисперсных гелей, но не менее 30 минут. Реагент для получения указанной выше композиции включает порошкообразный состав, содержащий 2-6% основного сульфата хрома или хромовых квасцов и полиакриламид – остальное. 3 н.п. ф-лы, 2 пр., 1 табл., 11 ил..

1. Композиция для нефтедобычи, содержащая частицы дисперсных гелей гидролизованного полиакриламида, связанные с ними ионы трехвалентного металла и воду, отличающаяся тем, что каждая из частиц содержит 0.5-5% мас. молекул полиакриламида со степенью гидролиза 5-30%, структурно связанных в пределах одной частицы ионами Cr⁺³ и молекулами пластовой или подтоварной воды, в частицах объемом 1-1000 мм³, при этом материал геля имеет модуль упругости в пределах 2-80 кПа, а в общем объеме композиции частицы занимают 30-90% ее объема.

2. Способ нефтедобычи включает закачку в нагнетательную скважину воды из системы поддержания пластового давления и оторочек композиции по п. 1, включает синтез композиции по п. 1 в технологической емкости непосредственно на скважине в реакции между частично набухшими частицами полиакриламида и ионами Cr⁺³ - ионного модификатора в воде во взвешенном состоянии при их суммарной концентрации до 2% в воде до стабилизации объема осадка дисперсных гелей, но не менее 30 минут.

3. Реагент для получения композиции по п. 1 включает порошкообразный состав, содержащий 2-6% основного сульфата хрома или хромовых квасцов и полиакриламид - остальное.