ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГЕЛЕОБРАЗУЮЩИХ СОСТАВОВ ОТ РАСКРЫТОСТИ ТРЕЩИНЫ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ ИХ ТЕЧЕНИЯ НА РОТАЦИОННОМ ВИСКОЗИМЕТРЕ

Петраков Д.Г.¹, Шагиахметов А.М.², Рощин П.В.³, Литвин В.Т.⁴

¹Доцент, кандидат технических наук, ²аспирант, ³кандидат технических наук, ⁴аспирант, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГЕЛЕОБРАЗУЮЩИХ СОСТАВОВ ОТ РАСКРЫТОСТИ ТРЕЩИНЫ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ ИХ ТЕЧЕНИЯ НА РОТАЦИОННОМ ВИСКОЗИМЕТРЕ

Аннотация

В данной работе представлены результаты исследований реологических свойств полимерного состава в зависимости от раскрытости трещины при имитации данных условий на ротационном вискозиметре. Установлено, что уменьшение зазора при определенных условиях течения заставляет гель активно сшиваться и увеличивать напряжение сдвига. Таким образом, доказана возможность выборочного проникновения в трещины призабойной зоны продуктивного пласта при ремонтно-изоляционных работах на скважинах.

Ключевые слова: ремонтно-изоляционные работы, гелеобразующий состав, реологические свойства, ограничение водопритока, капитальный ремонт скважин.

Petrakov D.G.¹, Shagiakhmetov A.M.², Roschin P.V.³, Litvin V.T.⁴

¹Associate professor, PhD in Engineering, ²postgraduate student, ³PhD in Engineering, ⁴postgraduate student, National Mineral Recourses University (University of Mines)

THE RESEARCH OF THE DEPENDENCE OF RHEOLOGICAL PROPERTIES OF GELLING AGENT COMPOSITIONS FROM FRACTURE OPENING IN SIMULATION OF FLOW AT ROTATIONAL VISCOMETER

Abstract

There are some results of experimental investigations of polymeric composition rheological properties versus fracture opening during the deposit parameters modelling at the rotational viscometer. It has been established that decrease in the gap under certain conditions causes cross-linked gel actively and to increase the shear stress. In this way, it has been proven the possibility of selective penetration into the fractures of bottomhole formation zone producing formation in the water shutoff treatment on the wells.

Key words: water shutoff treatment, gel, rheological properties, water suppression, well workover.

Текущий период нефтедобычи в стране обусловлен ухудшением структуры запасов нефтяных месторождений, добавлением в разработку неоднородных коллекторов и резким переходом ведущих эксплуатационных объектов на заключительную стадию разработки, которая характеризуется высокой обводненностью добываемой продукции и малыми дебитами скважин по нефти. Для снижения повышенной обводненности продукции скважин зачастую производят ремонтно-изоляционные работы (РИР). Такой подход подразумевает закачку сшитых полимерных систем, либо обработку призабойной зоны пласта полимер-гелевыми системами [4,7]. Особенно актуальна данная проблема для трещинных коллекторов, которые зачастую представлены карбонатными породами. В таких коллекторах нефти и газа, в силу высокой проводимости, трещины служат, как правило, основными путями фильтрации пластовых флюидов, в то время как большая часть запасов углеводородов может быть сосредоточена в матрице c относительно низкой проницаемостью. Для трещиноватых коллекторов при разработке залежей нефти путем заводнения характерны опережающие прорывы закачиваемых или пластовых вод по системе трещин к добывающим скважинам. При этом нефть из них вытесняется весьма эффективно, и коэффициент может достигать значительных величин: 0,8–0,85. Опыт показывает, что из матрицы трещинно-поровых коллекторов нефть также вытесняется, однако коэффициент вытеснения сравнительно невелик – он не превышает значения 0,3 даже для гидрофильных коллекторов. Вытеснение нефти из трещинных коллекторов происходит под действием двух важнейших факторов: 1) неустановившиеся градиенты давления в системе матрица – трещины; 2) процесс капиллярной пропитки. При этом сама капиллярная пропитка происходит крайне медленно [1,8,9,10].

Одной из важнейших проблем в последние десятилетия было ограничение водопритока в скважины, дренирующие трещиноватый пласт, а также изоляция высокопроводящей единичной трещины, которая связывает добывающую скважину с нагнетательной или с водоносным горизонтом. Моментальное обводнение извлекаемого флюида происходит в результате прорыва пластовых и нагнетаемых вод по высокопроницаемым пластам и трещинам. В этих условиях важной задачей является сдерживание дренирования вод в высокопроницаемой части и трещинах пласта-коллектора. Одним из основных методов в середине прошлого столетия являлось полимерное заводнение. Данный способ, благодаря свойству полимеров увеличивать вязкость воды, способствует снижению отношения подвижности воды и нефти, тем самым снимая возможность прорыва воды, обусловленной неоднородностью пласта. Для данного мероприятия необходимо закачивать в пласт значительное количество композиции, поэтому этот метод не прижился при ограничении водопритока в скважины. Ввиду данного фактора популярность при снижении движения воды по трещинам и высокопроницаемым пропласткам приобрели  технологии с применением малообъемных закачек (оторочек), приводящим к созданию водоизоляционного экрана в призабойной зоне добывающих скважин. Для мероприятий по ограничению водопритока через нагнетательные скважины используют более дешевые и доступные реагенты [2,3,5].

Однако поведение ПГС в пластовых условиях изучено слабо, ввиду того, что до недавнего времени невозможно было проводить эксперименты в условиях, приближенных к пластовым. Появление современных ротационных вискозиметров позволяет моделировать движение геля в трещинах за счет регулирования зазора в измерительной системе (например, «плита-плита»).

В лаборатории повышения нефтеотдачи Горного университета с целью изучения поведения полимерных систем в трещинах различной раскрытости были проведены исследования по определению зависимости реологических свойств полимеров от вероятной раскрытости изолируемой трещины.

Для изучения были взяты 2 образца ПГС с предполагаемой различной вязкостью. Для приготовления гелеобразующей композиции №1 смешивались следующие реагенты: полимер карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ-500), сшиватель ацетат хрома и катализатор (загуститель) сульфат меди. Все компоненты являются экологически чистыми и безвредными продуктами. Данный состав рекомендуется при ограничении водопритока в трещинах. Для уменьшения движение вод в высокопроницаемых пропластках предлагается гелеобразующая композиция, состоящая из КМЦ-500, ацетата хрома и ацетата натрия, который значительно снижает вязкость состава после приготовления, но при гелировании не снижает прочностных характеристик композиции.

Для проведения исследования был использован реометр Anton Paar MCR 102, отличающийся высокой точностью при изучении свойств различных жидкостей. Устройство прибора детально описано в работах [6,11]. На данной установке имеется возможность изменения зазора в системе «плита – плита» для имитирования течения жидкости в трещине с раскрытостью до 1 мм. В данном случае такая возможность была использована для изучения поведения гелеобразующего состава в трещинах пласта различной раскрытости.

Эксперимент проводился следующим образом. На плиту дозатором помещался образец гелеобразующего состава, устанавливался определенный зазор и пластовая температура 25°С. Далее в течение 2 минут скорость сдвига линейно увеличивалась от 0 до 100 с^-1, имитируя движение геля по трещине. В ходе эксперимента с образцами геля №1 и №2 устанавливались следующие зазоры: 1; 0,8; 0,6 и 0,5 мм.

На рисунке 1 представлены графики зависимостей напряжения сдвига геля №1 от времени при увеличении скорости сдвига от 0 до 100 с^-1.

Рис. 1 – Зависимость напряжения сдвига от времени гелеобразующей композиции №1 при линейном увеличении скорости сдвига от 0 до 100 с^-1

На представленном графике хорошо видно влияние установленного зазора на реологические свойства гелеобразующего состава. Это возможно объяснить следующим образом. Во-первых, воздействие на гелеобразующий состав происходит с различными массами, меняющимися про изменении зазора. Например, масса геля, заключенного в пространстве между неподвижной плитой и плитой ротора в зазоре 0,5 мм будет меньше, чем масса геля в зазоре 1 мм. Поэтому передача механической энергии от вискозиметра к образцу геля будет происходить одним и тем же образом, однако соотношение переданной энергии к массе образца будет существенно различаться. Уменьшение зазора с 1 мм до 0,5 мм увеличивает в 2 раза энергию, передаваемую единице массы геля, используемого для эксперимента. Во-вторых, при указанных скоростях сдвига вероятно преобразование механической энергии в тепловую, которая позволяет создавать в гелеобразующем составе дополнительные химические связи. Именно за счет таких эффектов возможно обосновать дополнительный параметр селективности состава, который проявляется в упрочнении геля в мелких трещинах и порах, и дальнейшему его движению по крупным высокопроницаемым каналам, что позволяет гелеобразующей композиции проникать как можно глубже в обрабатываемый участок пласта и изолировать крупные высокопроницаемые каналы. За счет этого возможна некоторая экономия реагента, так как в основном будут изолированы именно крупные трещины, являющиеся каналами фильтрации для воды.

Также по методике, приведенной выше, был исследован менее вязкий гелеобразующий состав №2.

На рисунке 2 представлена зависимость напряжения сдвига от времени гелеобразующей композиции №2 при постепенном линейном увеличении скорости сдвига.

Рис. 2 - Зависимость напряжения сдвига от времени гелеобразующей композиции №2 при линейном увеличении скорости сдвига от 0 до 100 с^-1

На основании выполненных исследований возможно сделать следующие выводы:

1. Установлена зависимость реологических свойств гелеобразующих составов от раскрытости трещины при моделировании их течения на ротационном вискозиметре. При этом выявлены явления, которые могут играть положительную роль при выполнении операции по водоизоляционным работам в скважинах, вскрывших нефтяные или газовые пласты.
2. Сделан вывод о возможности использования особенностей реологических свойств гелеобразующих составов для повышения эффективности использования технологий водоизоляции добывающих скважин, либо выравнивания профиля приемистости нагнетательных.

Литература

1. Балакин В. В., Власов С. А., Фомин А. В. Моделирование полимерного заводнения слоисто-неоднородного пласта //Нефтяное хозяйство. – 1998. – № 1. – С. 47-48.
2. Власов С.А., Краснопевцева Н.В., Каган Я.М. и др. Новые перспективы полимерного заводнения в России. //Нефтяное хозяйство. – 1998. – № 5. – С. 46-49.
3. Никитин М. Н. Обоснование технологии повышения нефтеотдачи залежей высоковязких нефтей в трещинно-поровых коллекторах с применением гелеобразующего состава на основе силиката натрия : дис. канд. техн. наук. – СПб., 2012. – 181 с.
4. Никитин М. Н., Петухов А. В. Гелеобразующий состав на основе силиката натрия для ограничения водопритока в сложнопостроенных трещинных коллекторах //Нефтегазовое дело. – 2011. – № 5. – С. 143-154.
5. Петров Н.А. Ограничение притока воды в скважинах / Н.А. Петров, А.В. Кореняко, Ф.Н. Янгиров, А.И. Есипенко. – М.: ВНИИОЭНГ, 1995. – 65 с.
6. Рощин П.В. Обоснование комплексной технологии обработки призабойной зоны пласта на залежах высоковязких нефтей с трещинно-поровыми коллекторами: дис. канд. техн. наук. – СПб., 2014. – 112 с.
7. Стрижнев К.В. Ремонтно-изоляционные работы в скважинах: Теория и практика / К.В. Стрижнев. – СПб.: «Недра», 2010. – 560 с.
8. Стрижнев К. В., Стрижнев В. А. Выбор тампонажного материала для обоснования технологии ремонтно-изоляционных работ //Нефтяное хозяйство. – 2006. – № 9. – С. 108-111.
9. Сургучев М.Л., Кеманов В.И., Гавура Н.В. и др. Извлечение нефти из карбонатных коллекторов. М.: Недра, 1987. – 230с.
10. Lencenkov N. S. Eksperimental'nye issledovania po ocenke effektivnosti sostava" Belitkom" dla ogranicenia vodopritokov k neftanym skvazinam //Wiertnictwo, Nafta, Gaz. – 2008. – Т. 25. – С. 433-440.
11. Roschin P.V., Zinoviev A.M., Struchkov I.A., Kalinin E.S., Dziwornu C.K. Solvent selection based on the study of the rheological properties of oil. Международный научно-исследовательский журнал. – 2015. – № 6-1 (37). – С. 120-122.

References

1. Balakin V. V., Vlasov S. A., Fomin A. V. Modelirovanie polimernogo zavodnenija sloisto-neodnorodnogo plasta //Neftjanoe hozjajstvo. – 1998. – № 1. – S. 47-48.
2. Vlasov S.A., Krasnopevceva N.V., Kagan Ja.M. i dr. Novye perspektivy polimernogo zavodnenija v Rossii. //Neftjanoe hozjajstvo. – 1998. – № 5. – S. 46-49.
3. Nikitin M. N. Obosnovanie tehnologii povyshenija nefteotdachi zalezhej vysokovjazkih neftej v treshhinno-porovyh kollektorah s primeneniem geleobrazujushhego sostava na osnove silikata natrija : dis. kand. tehn. nauk. – SPb., 2012. – 112 s.
4. Nikitin M. N., Petuhov A. V. Geleobrazujushhij sostav na osnove silikata natrija dlja ogranichenija vodopritoka v slozhnopostroennyh treshhinnyh kollektorah //Neftegazovoe delo. – 2011. – № 5. – S. 143-154.
5. Petrov N.A. Ogranichenie pritoka vody v skvazhinah / N.A. Petrov, A.V. Korenjako, F.N. Jangirov, A.I. Esipenko. – M.: VNIIOJeNG, 1995. – 65 s.
6. Roshhin P.V. Obosnovanie kompleksnoj tehnologii obrabotki prizabojnoj zony plasta na zalezhah vysokovjazkih neftej s treshhinno-porovymi kollektorami: dis. kand. tehn. nauk. – SPb., 2014. – 112 s.
7. Strizhnev K.V. Remontno-izoljacionnye raboty v skvazhinah: Teorija i praktika / K.V. Strizhnev. – SPb.: «Nedra», 2010. – 560 s.
8. Strizhnev K. V., Strizhnev V. A. Vybor tamponazhnogo materiala dlja obosnovanija tehnologii remontno-izoljacionnyh rabot //Neftjanoe hozjajstvo. – 2006. – № 9. – S. 108-111.
9. Surguchev M.L., Kemanov V.I., Gavura N.V. i dr. Izvlechenie nefti iz karbonatnyh kollektorov. M.: Nedra, 1987. – 230s.
10. Lencenkov N. S. Eksperimental'nye issledovania po ocenke effektivnosti sostava" Belitkom" dla ogranicenia vodopritokov k neftanym skvazinam //Wiertnictwo, Nafta, Gaz. – 2008. – T. 25. – S. 433-440.
11. Roschin P.V., Zinoviev A.M., Struchkov I.A., Kalinin E.S., Dziwornu C.K. Solvent selection based on the study of the rheological properties of oil. Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurnal. – 2015. – № 6-1 (37). – S. 120-122.