Ключевые слова: гидравлический разрыв пласта, сеноманская вода, минерализация, гуаровый гель, сшиватель, стабильность вязкости, импортозамещение.
Гидравлический разрыв пласта (ГРП) остается основным методом интенсификации притока в низкопроницаемых коллекторах Западной Сибири. Традиционные жидкости ГРП готовятся на пресной воде, забор которой из поверхностных источников сопряжен с рядом логистических и экологических ограничений: удаленность водозаборов, сезонная недоступность, необходимость подогрева в зимний период и рост антропогенной нагрузки на речные системы [2, 4]. В связи с этим актуальным становится переход на минерализованные воды сеноманского водоносного комплекса, которые уже добываются и транспортируются в системах поддержания пластового давления (ППД) [1, 10].
Целью данной работы является разработка и обоснование химической рецептуры жидкости ГРП на основе сеноманской воды, обеспечивающей реологические характеристики, сопоставимые с жидкостями на пресной основе.
Характеристика сеноманской воды и ее влияние на свойства гуаровых гелей
Сеноманские воды Западной Сибири относятся к хлоридно-натриевому типу с общей минерализацией 15–17 г/л (до 20,5 г/л в отдельных источниках) [1]. По данным расширенного элементного анализа, приведенным в табл. 1, основными компонентами, препятствующими стандартному загеливанию, являются:
-
Ионы кальция и магния (жесткость до 600 мг/л и выше): конкурируют с борат-ионами за активные центры гуаровой макромолекулы, вызывая преждевременное разрушение структуры геля и снижение термостабильности [5, 8].
-
Ионы железа (до 7–10 мг/л): при повышении pH в процессе гидратации гуара образуют нерастворимый осадок Fe(OH)₃, кольматирующий поровое пространство [6, 9].
-
Природный бор: присутствует в воде в виде борат-ионов, что при использовании боратных сшивателей приводит к неконтролируемому мгновенному сшиванию («пересшивке») еще на стадии приготовления линейного геля [5, 7].
ТАБЛИЦА 1. Сравнительный состав сеноманской и пресной воды для ГРП [1, 4]
Методология химической модификации и подготовки воды
Для нейтрализации негативного влияния минерального состава разработана многостадийная методология подготовки жидкости ГРП.
Механическая подготовка
В соответствии с ГОСТ Р 58367-2019 предусмотрена очистка от механических примесей и разгазирование в горизонтальных цилиндрических аппаратах с временем пребывания не менее 20 минут [4]. Дополнительно для снижения содержания железа рекомендуется применение фильтров «сухой» фильтрации с загрузкой из вспененного полистирола [6].
Химическая стабилизация
Предложен комплекс добавок, вводимых непосредственно в воду до подачи гелеобразователя:
-
Стабилизатор солей PO SG-1 (концентрация 0,8–1,0 кг/м³) – хелатирующий агент на основе органофосфонатов для связывания Ca²⁺ и Mg²⁺ [3, 10].
-
Стабилизирующая добавка PO AHS – восстановитель ионов Fe³⁺ до растворимой формы Fe²⁺ [6, 9].
-
Регулятор pH PO BF марка 1 – пре-баффер для создания слабокислой среды (pH 5,5–6,0), при которой природный бор неактивен [5, 7].
-
Стабилизатор сшивателя PO SWBC-4 (0,8–1,8 л/м³) – модификатор, замедляющий кинетику сшивки для предотвращения «пересшивки» на ранних этапах [3, 7].
Оптимизация сшивателя и деструкции
Использован модифицированный боратный сшиватель PO WBC-M (4,0 л/м³), обеспечивающий контролируемое время полной сшивки (30–120 с) в присутствии высоких концентраций солей [5, 7]. Для гарантированного разрушения геля после операции применяется окислительный деструктор PO LBA-1 (0,3–0,5 л/м³), эффективность которого не снижается в среде с высокой минерализацией [3, 8].
Экспериментальная часть: условия и рецептуры
Лабораторные исследования проводились на пробах воды, отобранных с кустовых площадок Приобского и Приразломного месторождений (скв. 103В, 130В, 160В, 166В). Базовый состав жидкости ГРП включал: гелеобразователь PO WG-1 (4,0 кг/м³), стабилизатор глин PO CS (2,0 л/м³), деэмульгатор PO NE-1 (1,0 л/м³) и биоцид PO BIO марка 2 (0,02 кг/м³). Варьируемыми параметрами являлись концентрации стабилизаторов в зависимости от жесткости и содержания железа в исходной воде.
Результаты лабораторных исследований и подтверждение стабильности системы
Анализ реологического поведения при высокой температуре
Для объективной оценки пригодности сеноманской воды в качестве основы жидкости ГРП были выполнены серии тестов на ротационном вискозиметре при температуре 98 °С, моделирующей условия пласта. Как видно из графиков (рис. 1, 2, 3, 4), динамика изменения вязкости во времени для всех исследованных проб воды демонстрирует устойчивый характер. Система сохраняет вязкость выше порогового значения 200 сП на протяжении более 100 минут непрерывного термостатирования и сдвигового воздействия (100 с⁻¹). Указанный показатель полностью соответствует нормативным требованиям к жидкостям ГРП для высокотемпературных коллекторов и свидетельствует об эффективности разработанного комплекса стабилизаторов [1, 5].
Особо следует отметить поведение образца на воде скв. 166В с экстремально высокой жесткостью (более 400 мг/л). Введение в рецептуру стабилизатора солей PO SG-1 (0,8 кг/м³) и пре-баффера PO BF марка 1 позволило избежать характерной для нестабилизированных систем «ступеньки» падения вязкости, связанной с осаждением гуматов кальция и магния. График зависимости η = f(t) демонстрирует классическую пологую кривую, что подтверждает высокую термостабильность сшитой полимерной сетки в агрессивной солевой среде [3, 10].
РИСУНОК 1. Тест на стабильность системы при температуре 98 °С. Скважина 103В
РИСУНОК 2. Тест на стабильность системы при температуре 98 °С. Скважина 130В
РИСУНОК 3. Тест на стабильность системы при температуре 98 °С. Скважина 160В
РИСУНОК 4. Тест на стабильность системы при температуре 98 °С. Скважина 166В
Восстановление структуры после интенсивных сдвиговых нагрузок
Критически важным параметром для успешного проведения ГРП является способность жидкости восстанавливать вязкость после прохождения через перфорационные отверстия, где скорости сдвига достигают 1000 с⁻¹ и выше [5, 8]. Для оценки этого свойства были проведены циклические тесты при температуре 62–63 °С. Графики (рис. 5, 6, 7, 8) иллюстрируют три последовательных цикла: резкое увеличение скорости сдвига до 1000 с⁻¹ (имитация прохождения перфораций) с последующим возвратом к 100 с⁻¹ (движение по трещине).
Результаты однозначно указывают на высокую тиксотропность модифицированной системы. Во всех случаях время восстановления вязкости до целевого уровня 400 сП не превышало 60 секунд, причем после третьего цикла деструкции–восстановления конечная вязкость практически не отличалась от исходной. Такое поведение обусловлено синергетическим эффектом добавок PO SWBC-4 (стабилизатор сшивателя) и PO SG-1, которые минимизируют необратимую деструкцию полимерных цепей и предотвращают повторную агломерацию солей жесткости в момент снижения турбулентности потока [3, 5].
РИСУНОК 5. Тест на устойчивость системы к динамическим нагрузкам при температуре 63 °С. Скважина 103В
РИСУНОК 6. Тест на устойчивость системы к динамическим нагрузкам при температуре 63 °С. Скважина 130В
РИСУНОК 7. Тест на устойчивость системы к динамическим нагрузкам при температуре 63 °С. Скважина 160В
РИСУНОК 8. Тест на устойчивость системы к динамическим нагрузкам при температуре 63 °С. Скважина 166В
Подтверждение воспроизводимости результатов в лаборатории заказчика
В рамках опытно-промысловых испытаний на кусте № 39 Приобского месторождения (скв. 166) была отобрана вода с содержанием железа 7,0 мг/л и жесткостью более 400 мг/л. Несмотря на значительное превышение предельно допустимых концентраций для стандартных систем (Ca²⁺ > 200 мг/л, Fe общ. > 5 мг/л), лабораторное тестирование проб, приготовленных непосредственно на кустовой площадке, подтвердило результаты стационарных исследований. Время полной сшивки составило менее 120 с, стабильность при 96 °С превысила 100 мин, а восстановление после трех циклов сдвига осталось в пределах 60 с. Данные графиков на рис. 9, 10 визуализируют отсутствие аномальных провалов вязкости, что служит прямым доказательством надежности и стабильности работы рецептуры в реальных промысловых условиях [2, 3].
РИСУНОК 9. Тест на стабильность жидкости ГРП при температуре 96 °С. Скважина 166
РИСУНОК 10. Тест на восстановление жидкости после сдвига при температуре 62 °С. Скважина 166
Получен результат с использованием модифицированного сшивающего агента PO WBC марка M и дополнительных добавок: стабилизатор солей PO SG-1 (добавляется в емкости до загеливания), стабилизатор сшивателя PO SWBC-4, удовлетворяющего требованиям заказчика по тестированию жидкости сеноманского яруса.
Экономический эффект
Экономическая эффективность достигается за счет:
- Исключения плеча перевозки пресной воды (сокращение времени подготовки флота ГРП до 50 %) [2, 10].
- Снижения расхода химических реагентов на подогрев воды в зимний период (сеноманская вода поступает с температурой пласта).
Утилизации попутно добываемой воды без сброса в поверхностные водоемы [3, 9].
Заключение
-
Доказана принципиальная возможность и технологическая эффективность использования высокоминерализованных сеноманских вод в качестве базовой жидкости для ГРП.
-
Разработанный комплекс стабилизирующих добавок (PO SG-1, PO SWBC-4, PO BF) позволяет полностью нивелировать негативное влияние ионов жесткости и природного бора.
-
Реологические параметры модифицированной жидкости (стабильность > 100 мин при 98 °С, быстрое восстановление после сдвига) соответствуют отраслевым стандартам для проведения операций ГРП.
-
Технология рекомендована к широкому внедрению на месторождениях Западной Сибири как инструмент снижения операционных затрат и сохранения пресноводных ресурсов.
Литература
1. Султанов Ш.Х. Исследование возможности использования воды с высокой минерализацией для гидравлического разрыва пласта / Ш.Х. Султанов, В.Ш. Мухаметшин, А.П. Стабинскас, Э.Ф. Велиев, А.В. Чураков // Journal of Mining Institute. – 2024. – Т. 270. – С. 950–962.
2. «Газпромнефть-Хантос» протестировал новый состав жидкости для ГРП
3. Создание жидкости ГРП с использованием соленой воды
4. ГОСТ Р 58367-2019. Обустройство месторождений нефти и газа. Технологические нормы проектирования. – М. : Стандартинформ, 2019.
6. Житенев Б. Н. Повышение эффективности обезжелезивания подземных вод альб-сеноманского водоносного горизонта «сухой фильтрацией» / Б.Н. Житенев, Г. О. Наумчик // Вестник Брестского государственного технического университета. Серия: Водохозяйственное строительство и теплоэнергетика. – 2007. – № 2. – С. 77–81.
7. Патент № 2184223 Российская Федерация, МПК E21B 43/26. Жидкость-песконоситель для гидравлического разрыва пласта: заявл. 05.07.2000: опубл. 27.06.2002.
8. Жидкости, применяемые при ГРП
9. Водоподготовка и очистка сточных вод
