В современном мире основными методами увеличения нефтеотдачи пластов являются термические и газовые [1]. Физико-химические методы наращивают темпы развития и применения в связи с ростом доли трудноизвлекаемых запасов и обводненных месторождений. В основном они направлены на создание внутрипластовых оторочек, которые регулируют фильтрационные потоки или совсем перекрывают высокопроницаемые обводненные прослои [2]. В таких технологиях широкое применение получили водорастворимые полимеры (ВРП).
ВРП – это высокомолекулярные соединения, которые применяются во многих отраслях: пищевой, медицинской, текстильной и т.д. Отдельное место ВРП занимают также и в нефтегазодобывающей промышленности. На рисунке 1 приведена общая классификация ВРП по происхождению: природные, искусственные и синтетические [3].
Немаловажную роль при выборе полимеров для конкретной технологической жидкости играет строение макромолекулы, а именно, наличие тех или других функциональных групп. Этими группами могут являться следующие соединения: оксиэтильные, карбоксилатные, сульфатные, сульфонатные, фосфонатные, четвертичные аммонийные и пиридиниевые. Функциональные группы обеспечивают практически все ключевые свойства ВРП: скорость растворения, стабильность в растворах, содержащих ионы металлов, реологические показатели [4].
Неотъемлемой частью процесса растворения ВРП является набухание, так как макромолекулы полимера или «статистические клубки» постепенно за счет взаимодействия молекул воды с функциональными группами «разворачиваются», обеспечивая образование вязкого однородного раствора. Процесс растворения полимера схематично представлен на рисунке 2 [3].
Рассматривая вопросы применения ВРП в нефтегазодобывающей промышленности, следует отметить, что их используют с момента бурения до транспортировки и подготовки флюидов. На сегодняшний день актуальна проблема подбора полимерных композиций на основе разных полимеров или полимеров с ПАВ и другими добавками для условий месторождений. В НОЦ «Промысловая химия» при РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина ведутся исследования с применением ВРП в основных в областях: повышение нефтеотдачи пластов (ПНП) и водоизоляционные работы (ВИР).
В статье представлены основные данные по направлениям в области разработки жидкостей для операций повышения нефтеотдачи пластов и водоизоляционных работ на основе ВРП [5, 6].
Первым направлением является поиск полимера с низким временем растворения и высокими реологическими характеристиками. Данная тема наиболее актуальна [7] при приготовлении полимерных растворов в полевых условиях при полимерном заводнении и гидроразрыве пласта с использованием полиакриламида (ПАА). В НОЦ «Промысловая химия» разработана серия реагентов на основе суспендированного ПАА. Главной задачей при разработке подобных систем является подобрать систему реагентов, имеющих агрегативную устойчивость, что особенно интересно с точки зрения изучения коллоидно-химических свойств ВРП. Так, разработанный водный раствор в виде суспензии (РПНП) отличается способностью быстро гидратироваться и тем самым позволяет приготавливать систему непосредственно «в потоке» при закачке в пласт. В таблице 1 показаны характеристики одной из систем на основе суспендированного ПАА. Согласно представленным данным, реологические исследования демонстрируют высокие показатели как в пресной, так и в минерализованной водах.
Наибольший интерес при анализе данной системы представляют фильтрационные исследования. В таблице 2 показано сравнение показателей, определенных при последовательной закачке 1,0 % суспензионного полимерного состава и пластовой воды в насыпную модель и такой же закачки порошкообразного ПАА, на основе которого приготовлена суспензия.
Исследование показало, что по сравнению с закачкой водного раствора (порошкообразного) ПАА закачка суспендированного ПАА прошла при меньших давлениях и обеспечила сопоставимое значение коэффициента вытеснения нефти. Это позволяет закачивать данную систему в коллектора с низкой проницаемостью без кольматации и процессов автоГРП.
Современные маловязкие жидкости для ГРП также содержат в своем составе ПАА, они имеют низкие потери давления на трение, совместимы с пластовыми флюидами и отличаются высокой степенью очистки проппантной пачки. Использование данного полимера в виде суспензионного раствора позволяет проводить быстрое растворение. Подобные системы обязательно включают в свой состав ПАВ, которые снижают адсорбцию ПАА, которая является одной из проблем при использовании данного полимера при ГРП.
Вторым направлением разработок технологических жидкостей на основе ВРП является поиск эффективных комбинаций полимеров с целью обеспечения высоких реологических свойств при низких концентрациях. Для выравнивания профиля приемистости (ВПП) была разработана технология использования полимер-полимерного состава (ППС). Представленная система является смесью природных полисахаридов и ПАА, которая позволяет обеспечить концентрирование частиц полисахарида в промытых зонах призабойной зоны пласта (ПЗП) нагнетательной скважины с последующим набуханием с увеличением вязкости. В составе отсутствует сшиватель, при этом один из полимеров находится в среде другого полимера в виде суспензии, что позволяет селективно обрабатывать водонасыщенные зоны с высокой проницаемостью.
Возможность изолирования трещинных зон была доказана фильтрационными экспериментами. Фильтрационные испытания проводились на шести насыпных моделях. При фильтрации воды (из системы ППД) определяли начальный коэффициент проницаемости. Для насыпных моделей № 1, 2, 3 была выбрана высокая скорость прокачки (расход 1,0 см3/мин), для насыпных моделей № 4, 5, 6 – скорость ниже (расход 0,1 см3/мин).
После фильтрации воды закачивали 0,6%-ный раствор ППС также при различных скоростях (0,1 и 1,0 см3/мин). После чего насыпную модель выдерживали в течение 24 часов. Затем при закачке воды (из системы ППД) в том же направлении определялась проницаемость.
По представленным в таблице 3 результатам видно, что при прокачке раствора ППС при низком расходе 0,1 см3/мин требуется меньшее давление прокачки, что связано с особенностью строения ВРП, которые успевают сориентироваться в поровом пространстве по направлению потока, что позволяет увеличить радиус воздействия изолирующего состава. Так как при закачке состава частицы полисахаридов находятся в растворе ПАА в состоянии нераспустившегося статистического клубка, то при выдержке ППС в течение 24 часов происходит набухание второго полимера, с увеличением вязкости, что создает высокое остаточное сопротивление даже в высокопроницаемых канала при последующей закачке воды.
В результате проведенных исследований по оценке прочности водоизоляционного барьера установлено, что применение полимерного состава ППС на водонасыщенных насыпных моделях значительно снижает водопроницаемость во всех экспериментах, коэффициент проницаемости по воде для всех образцов составляет менее 0,01мД, остаточный фактор сопротивления находится в диапазоне от 71 300 до 255 900 д. ед.
Еще одним направлением разработок систем для ВПП и ВИР являются так называемые полимер-дисперсные системы, которые не теряют своей актуальности по сей день. В НОЦ «Промысловая химия» разработан реагент Тампадус на основе сшитого полимера и мелкодисперсных частиц (рисунок 4). Данные системы имеют высокие реологические свойства, однако именно этот реагент обладает высокими вязкоупругими свойствами, так как имеет в своем составе сшиватель, а также реагенты, позволяющие регулировать скорость сшивки и время окончательного гелеобразования.
Также в качестве дисперсных частиц в данном составе используются минеральные дисперсные частицы с игольчатой структурой и высокой удельной поверхностью, которые не позволяют языку геля проскальзывать глубоко по трещине. На рисунке 3 представлены внешний вид реагента Тампадус до и после сшивки и определенные по системе Сиданска коды консистентности.
Заключительной системой, описываемой в данном обзоре технологических жидкостей на основе ВРП, разработанных в НОЦ «Промысловая химия», является состав Тампамакс, особенностью которого является его селективность. Данный состав состоит из двух компонентов: ПАВ-полимерного комплекса, являющегося эмульсией, и сшивающего комплекса. При смешении двух компонентов образуется низковязкий раствор, который только после взаимодействия с водой переходит в состояние линейного геля и с течением времени при воздействии пластовой температуры образуется прочный высковязкий сшитый гель. Внешний вид реагента Тампамакс на каждом из описанных этапов представлен на рисунке 4.
Фильтрационные исследования данной системы были проведены при последовательной закачке пластовой воды, нефти, пластовой воды для создания остаточной нефтенасыщенности. Далее закачивался состав Тампамакс 1 Vпор, который выдерживался 24 часа. После закачки воды в обратном направлении оценивался перепад давления и остаточный фактор сопротивления (рисунок 6).
Таким образом, в работе были представлены технологические жидкости на основе водорастворимых полимеров для повышения нефтеотдачи пластов и водоизоляционных работ, разработанные в НОЦ «Промысловая химия». Все они созданы на основе ПАА, что в сегодняшних условиях наводит на мысль о возвращении вопросов замены данного ВРП на более доступные.
Рассмотренные исследования показывают, что необходимо комплексное изучение коллоидно-химических свойств технологических жидкостей на основе ВРП и систематизация полученных данных, в т.ч. изучение реологических закономерностей, что позволит более конкретно сформулировать требования к полимерам и тем самым упростит поиск их аналогов.
*Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации по соглашению №075-15-2022-300 от 18.04.2022 в рамках программы развития НЦМУ «Рациональное освоение запасов жидких углеводородов планеты».
Литература
1. Поддубный, Ю.А. О классификации методов увеличения нефтеотдачи пластов (в порядке обсуждения) / Ю.А. Поддубный, С.А. Жданов // Нефтяное хозяйство. – 2003. – № 4. – С. 19–25. – EDN OYHNMT.
2. Применение коллоидных систем для увеличения нефтеотдачи пластов / О.Ю. Сладовская, Н.Ю. Башкирцева, Д.А. Куряшов [и др.] // Вестник Казанского технологического университета. – 2010. – № 10. – С. 585–591. – EDN NBOREF.
3. Толстых, Л.И. Полиакриламид в процессах нефтегазодобычи: учебное пособие / Л.И. Толстых, Л.Ф. Давлетшина, К.А. Потешкина. – М.: РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, 2023.
4. Шувалов, С.А. Применение полимерных реагентов для увеличения нефтеотдачи пласта и водоизоляции / С.А. Шувалов, В.А. Винокуров, В.Н. Хлебников // Труды Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина. – 2013. – № 4(273). – С. 98–107. – EDN RXEXLL.
5. Совершенствование методов планирования работ по повышению нефтеотдачи пластов / А.Н. Куликов, Л.А. Магадова, М.А. Силин, Д.Ю. Елисеев // Территория Нефтегаз. – 2016. – № 7–8. – С. 32–41. – EDN WKGBFF.
6. Опыт повышения эффективности заводнения на месторождении Каражанбас / А.Н. Куликов, М.А. Силин, В.С. Вербицкий [и др.] // Нефтепромысловое дело. – 2021. – № 10(634). – С. 5–13. – DOI 10.33285/0207-2351-2021-10(634)-5-13. – EDN QXLHXJ.
7. Подопригора, Д.Г. Текущий уровень и перспективы развития технологий большеобъемных закачек с использованием полимеров для повышения нефтеотдачи / Д.Г. Подопригора, Р.Р. Бязров, Е.А. Христич // Вестник евразийской науки. – 2022. – Т. 14, № 2. – С. 34. – EDN SWDEQU.
