image
energas.ru

Территория Нефтегаз № 5 2017

Нефтепромысловая химия

01.05.2017 10:00 Бесполимерная технологическая жидкость для гидроразрыва пласта на основе вязкоупругих поверхностно-активных веществ
Гидравлический разрыв пласта (ГРП) является одним из наиболее эффективных и распространенных методов интенсификации добычи пластовых флюидов. В качестве жидкости ГРП наибольшее распространение получили водные растворы полимеров, однако при их использовании возникает проблема ухудшения фильтрационных свойств коллектора за счет кольматации остатками неразрушенного полимерного геля. В статье приведены исследования по разработке бесполимерной жидкости ГРП на основе вязко-упругих поверхностно-активных веществ (ПАВ). В ходе исследования была разработана жидкость ГРП для вскрытия низкотемпературных пластов на основе продукта российского производства Нефтенол ВУПАВ. Проведенные исследования показали, что при относительно невысокой эффективной вязкости жидкости разрыва она способна удерживать в объеме расклинивающий материал. Изучение свойств разработанной жидкости ГРП с помощью осцилляционного реометра показало, что по значениям модуля накопления G’, отвечающего за упругое состояние, раствор ВУПАВ в значительной степени близок к сшитым гуаровым жидкостям. В ходе работы были определены реологические и фильтрационные характеристики раствора ВУПАВ, и на основании полученных данных было проведено программное моделирование процесса создания трещины ГРП с помощью данной жидкости. Применение в качестве жидкости разрыва раствора ВУПАВ приводит к формированию трещины меньшей высоты, чем в случае со сшитым гуаровым гелем, а также к более полной и равномерной упаковке расклинивающего материала в трещине. Предложенный состав является потенциально возможным видом технологической жидкости разрыва для проппантного ГРП, проводимого в низкотемпературных пластах, в частности Волго-Уральского региона или Восточной Сибири.
Ключевые слова: гидроразрыв пласта, гель, вязкоупругое поверхностно-активное вещество, вязкость, проппант.
Ссылка для цитирования: Силин М.А., Магадова Л.А., Малкин Д.Н., Крисанова П.К., Бородин С.А., Фан Ву Ань. Бесполимерная технологическая жидкость для гидроразрыва пласта на основе вязкоупругих поверхностно-активных веществ // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2017. № 5. С. 36–43.
Открыть PDF


Гидравлический разрыв пласта (ГРП) является одним из наиболее эффективных и распространенных методов интенсификации добычи пластовых флюидов и приемистости нагнетательных скважин, приуроченных к эксплуатации низкопроницаемых, слабодренируемых, неоднородных и расчлененных коллекторов. ГРП – это физико-гидродинамический процесс, при котором горная порода разрывается по плоскостям минимальной прочности за счет воздействия на пласт давлением, создаваемым закачкой в скважину специальной жидкости разрыва [1].

1.png

С давних пор в зарубежной и отечественной практике ГРП в качестве жидкостей разрыва широкое распространение получили водные растворы полимеров, таких как гуаровая смола, гидроксипропилгуар, гидролизованный полиакриламид, биополимеры и др. [2]. При проведении операций гидроразрыва с использованием подобных жидкостей возникает серьезная проблема ухудшения фильтрационных свойств коллектора за счет кольматации порового пространства пласта и образовавшихся трещин остатками не разрушенного до конца полимерного геля [3].

1_1.png

Помимо этого высокая вязкость полимерных жидкостей, необходимая для удерживания расклинивающего агента в объеме, усложняет процесс транспортировки проппанта глубоко в пласт с низкой проницаемостью. В таком случае в низкопроницаемом коллекторе образуются трещины, преимущественно растущие в высоту по пласту, тогда как главная цель при обработке участка с плохими фильтрационными свойствами сводится к созданию длинной проводимой трещины, распространяющейся как можно глубже в продуктивный интервал [4].

Во избежание вышеуказанных трудностей целесообразно использовать маловязкие жидкости разрыва, не содержащие полимерных компонентов. В настоящее время такими перспективными в разработке и применении жидкостями стали системы на основе вязкоупругих поверхностно-активных веществ (ВУПАВ). Благодаря дифильной структуре молекул ПАВ склонны к самоассоциации в растворах, которая проявляется в образовании мицелл. В объеме водной фазы выгодной для образования мицелл становится некоторая концентрация ПАВ, называемая критической концентрацией мицеллообразования (ККМ) [5].

1_1_1.png

При оптимальном соотношении концентраций «ВУПАВ: электролит» в водной среде формируются длинные червеобразные мицеллы ПАВ, которые в результате дальнейшего роста и переплетения между собой образуют сложную трехмерную сетчатую структуру в растворе, характеризующуюся вязкоупругими свойствами (рис. 1) [6].

Образующийся гель благодаря упругой структуре удерживает в объеме расклинивающий агент и, обладая значительно меньшими значениями вязкости в сравнении с полимерными композициями, транспортирует проппант глубоко в обрабатываемый продуктивный интервал (рис. 2) [7].

1_1_2.png

Также немаловажная особенность растворов ВУПАВ выражается в обратимости процесса формирования червеобразных мицелл, которые способны разрушаться при контакте с углеводородной фазой [6]. В результате вязкоупругая система теряет свои вязкостные свойства и легко выходит на поверхность вместе с добываемыми пластовыми флюидами, оставляя после себя высокопроводящие пачки расклинивающего агента в пласте.

На основании сказанного объяснимо то, что многие крупные нефтесервисные компании уделяют пристальное внимание разработке эффективных и экономически рентабельных жидкостей разрыва, в состав которых не входит полимер.

1_1_3.png

Специалистами Научно-образовательного центра «Промысловая химия» РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина проделана работа по получению и исследованию составов на основе ВУПАВ в качестве жидкостей разрыва. Объектом исследования выбрано цвиттер-ионное ПАВ на основе амидобетаинов российского производства – Нефтенол ВУПАВ.

Цвиттер-ионными называют ПАВ, молекула которых содержит две противоположно заряженные группы, т. е. представляет собой дипольный ион (цвиттер-ион). От амфотерных ПАВ цвиттер-ионные отличаются способностью сохранять один из зарядов во всем диапазоне рН среды. Кроме того, в сравнении с другими классами цвиттер-ионные ПАВ обладают устойчивостью к кислотам и щелочам, нечувствительностью к минерализации и жесткости воды, совместимостью со всеми классами ПАВ [6].

1_1_4.png

На основании лабораторных исследований, а также с учетом технологических и экономических факторов предложена бесполимерная жидкость для проведения операций ГРП в низкотемпературных коллекторах (20–30 °С) следующего состава:

• Нефтенол ВУПАВ – 7 % масс.;

• растворитель – 10%-й водный раствор NaCl.

Исследования реологических характеристик с применением высокотехнологичного оборудования (ротационный вискозиметр Grace 5600, рис. 3)
показали устойчивость системы в пластовых условиях (рис. 4, табл. 1). Также экспериментально было показано разрушение вязкоупругого геля при взаимодействии с углеводородной средой (на примере дизельного топлива) (рис. 4).

1_1_5.png

При проведении ГРП технологическая жидкость подвергается сильному механическому воздействию при прохождении через насосные агрегаты, при движении по насосно-компрессорным трубам и перфорационным отверстиям. В связи с этим в рамках работы выполнены тесты на стабильность жидкости ГРП к сдвиговым напряжениям на ротационном вискозиметре Grace 5600 (так называемый тест на сдвиг). Результаты исследований представлены на рис. 5.

Жидкость ГРП, приготовленная с использованием Нефтенол ВУПАВ, обладает хорошей стабильностью к механическим напряжениям (сдвигу), так как после снятия нагрузки в виде воздействия высокой скорости сдвига
511 с-1 наблюдается быстрое (менее 1 мин) восстановление эффективной вязкости до первоначальных значений около 100 мПа.с.

Как уже отмечалось, жидкости разрыва должны стабильно удерживать в своем объеме и транспортировать как можно дальше в обрабатываемый интервал расклинивающий агент. Ввиду этого следующим этапом определения технологических параметров предложенной жидкости разрыва стало выявление ее песконесущей и пескоудерживающей способностей. Оказалось, что даже в статических условиях состав удерживает в своем объеме до 70 % проппанта фракции 16/30 по истечении двух часов (рис. 6), имея при этом невысокие значения вязкости.

1_1_6.png

Песконесущие характеристики для системы со столь невысокими вязкостными параметрами было предложено изучить с помощью проведения осцилляционных исследований на ротационном вискозиметре Grace 5600. Осцилляционная реология позволяет осуществить количественную оценку вязких и упругих свойств материала. В данном методе прикладываемое напряжение меняется во времени синусоидально. Главное достоинство этого подхода заключается в том, что при проведении измерений исследуемый образец минимально деформируется, что исключает его разрушение [6].

Математическое описание изменений реологических параметров от частоты осцилляции основано на комплексных величинах, и в связи с этим комплексный модуль сдвига G* образца представляет собой геометрическую сумму (1) [8]:

1_1_7.png,                                     (1)

где G' – модуль накопления, соответствующий упругому ответу материала, Па; G'' – модуль потерь, отражающий диссипацию приложенной энергии в процессе течения, характеризующий вязкостные свойства образца, Па; i – оператор, равный .

Осцилляционные эксперименты проводились с тремя исследуемыми жидкостями:

1) линейный полимерный гель на водной основе:

• гелеобразователь ГПГ-1 – 4 кг/м3;

2) сшитый полимерный гель на водной основе:

• гелеобразователь ГПГ-1 – 4 кг/м3;

• боратный сшиватель БС-1 – 2 л/м3;

3) бесполимерная жидкость разрыва:

• Нефтенол ВУПАВ – 7 % масс.;

• растворитель – 10%-й водный раствор NaCl.

Из полученных данных видно (табл. 2), что значения модулей потерь и упругости у сшитого полимерного и вязко-упругого гелей сопоставимы, различаются всего в 1,5–2,0 раза. В то же время показатели модуля упругости у линейного полимерного геля ниже почти на два порядка по сравнению с составом на основе ВУПАВ и тем более со сшитым гелем. Таким образом, хорошую песко-удерживающую способность раствора с Нефтенолом ВУПАВ при его невысоких значениях вязкости при скорости сдвига 100 с-1 можно объяснить упругими характеристиками композиции (чего не наблюдается у линейного геля), обусловленными сложной сетчатой структурой переплетенных цилиндрических мицелл.

1_1_12.png

Одной из важных характеристик жидкости ГРП является фильтратоотдача состава в пласт. В рамках данной исследовательской работы определение поглощения жидкости из технологической композиции осуществлялось с помощью фильтр-пресса FANN HPHT (рис. 7) при перепаде давления 100 psi (0,7 МПа) и комнатной температуре.

После построения графика зависимости объема фильтрата от времени (рис. 8) осуществлен расчет параметров, характеризующих фильтрационные свойства жидкости: утечки с кольматацией Сw по формулам (2) и (3) и потери при мгновенной фильтрации SL по формулам (4) и (5) [9]:

1_1_8.png,                                     (2)

1_1_9.png ,                         (3) 

1_1_10.png                                     (4) 

1_1_11.png,     (5)

 

где m – наклон кривой поглощения жидкости, м3/с1/2; А – площадь поперечного сечения поверхности пористой среды, м2; b – значение объема фильтрата t = 0 по кривой поглощения жидкости, м3.

Результаты расчетов представлены в табл. 3.

Невысокие значения коэффициента утечек с кольматацией Cw подтверждают образование при фильтрации состава фильтрационной корки, которая позволяет предотвратить дальнейшую миграцию фильтрата в пласт и тем самым сохранить необходимые технологические свойства жидкости разрыва.

В ходе работы было предложено провести математическое моделирования создания трещины ГРП жидкостью разрыва на основе ВУПАВ и сшитым полисахаридным гелем в симуляторе FRACPRO. Симулятор ГРП – программное обеспечение для математического моделирования и анализа процесса создания трещин в ходе гидроразрыва пласта. Симулятор гидроразрыва предназначен для решения ряда прикладных задач, связанных с моделированием распространения трещины в пласте с учетом геологического строения пласта, геомеханических свойств пород, динамики течения жидкости разрыва и транспорта проппанта.

В целях сравнения эффективности применения жидкостей разрыва на основе ВУПАВ и сшитого полисахаридного геля было предложено выполнить моделирование двух вариантов гидроразрыва при идентичных пластовых условиях (рис. 9) и одинаковых дизайнах закачки расклинивающего материала.

Результаты программного моделирования гидроразрыва показали, что применение в качестве жидкости разрыва вязкоупругого геля приводит в конечном счете к формированию проводимой трещины, в меньшей степени распространяющейся по вертикали (на 2,5 м меньше, чем в случае с полимерным гелем), и к более полной и равномерной упаковке расклинивающего материала в трещине.

Вышеуказанная технологическая жидкость показала на хорошем уровне ряд таких свойств, как устойчивость реологических характеристик, удерживание проппанта в объеме, стабильность к механическим напряжениям, разрушение при контакте с углеводородной фазой и др.

Предложенный состав является потенциально возможным видом технологической жидкости разрыва для проппантного ГРП, проводимого в низкотемпературных пластах, в частности Волго-Уральского региона или Восточной Сибири.

 

Таблица 1. Реологические показатели жидкости ГРП

Table 1. Rheological parameters of the hydraulic fracturing liquid

Время, мин

Time, min

Т, °С

n

K, Па.с

K, Pa.s

 при 100 с-1, мПа.с

  at 100 s-1, mPa.s

14,3

27,9

0,30

2,55

109,69

24,3

27,8

0,27

3,10

119,07

34,3

27,8

0,26

3,40

119,83

44,3

27,9

0,25

3,69

124,86

54,4

28,2

0,24

3,89

127,29

64,4

28,3

0,23

4,07

126,99

74,4

28,3

0,23

4,01

125,23

 

 

Таблица 2. Результаты осцилляционных исследований

Table 2. The results of oscillation studies

Образец/показатели

Sample/parameters

Линейный полимерный гель

Linear Polymer Gel

Сшитый полимерный гель

Cross-Linked Polymer Gel

Гель на основе ВУПАВ

Viscoelastic Surfactant Gel

Эффективная вязкость  при 100с1, мПа.с

Effective viscosity  at 100s1, mPa.s

80

1200

100

G', Па

0,0318

3,927

2,402

G'', Па

0,3351

3,804

1,117

G*, Па

0,3000

5,468

2,649

 

 

Таблица 3. Результаты расчетов коэффициентов коркообразования

Table 3. Crusting coefficient calculation results

Показатель

Parameter

Значение

Value

Площадь бумажного фильтра А, м2

Paper filter area А, m2

0,0031

Наклон кривой поглощения жидкости m, м3/с1/2

Liquid absorption curve slope m, m3/s1/2

3.10-7

Значение объема фильтрата t = 0 по кривой поглощения жидкости b, м3

Filtrate volume value t = 0 at the liquid absorption curve b, m3

5.10-5

Коэффициент утечек с кольматацией Сw, м/с1/2

Coefficient of leakages with colmatage Сw, m/s1/2

4,81.10-5

Потери при мгновенной фильтрации SL, м3/м2

Spurt loss SL, m3/m2

0,0160



← Назад к списку


im - научные статьи.