ПОВЫШЕНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ ПОЛИМЕРНОГО ВОДОИЗОЛИРУЮЩЕГО ЭКРАНА В ПРИЗАБОЙНОЙ ЗОНЕ ДОБЫВАЮЩИХ СКВАЖИН

Насибуллин Р.М.¹, Мирсаетов О.М.², Ахмадуллин К.Б.³

¹Ведущий инженер ОАО «Удмуртнефть», ²Доцент кафедры разработки и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений Альметьевского государственного нефтяного института, кандидат технических наук, доцент, ³Ведущий инженер ООО «Нефтетрейд-Удмуртия»

ПОВЫШЕНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ ПОЛИМЕРНОГО ВОДОИЗОЛИРУЮЩЕГО ЭКРАНА В ПРИЗАБОЙНОЙ ЗОНЕ ДОБЫВАЮЩИХ СКВАЖИН

Аннотация

Статья посвящена анализу причин деструкции полимерной  оторочки в условиях ее продвижения водой в черепетской залежи Мишкинского нефтяного месторождения. Установлено, что основной причиной деструкции является воздействие гидродинамического поля нагнетаемой воды, разрушающее водородные связи в молекуле полиакриамида. Выявлены условия повышения стойкости к разрушению водородных связей. Предложено технологическое решение для повышения стойкости водо родных связей. В статье приведены результаты исследований по изменению структурно-механических свойств и вытесняющих свойств раствора полиакриламида, определяющих стойкость полимерной оторочки  к воздействию водой.

Ключевые слова: полимерная оторочка, полиакриламид, деструкция, гидродинамическое воздействие, водородные связи, электрохимическая обработка воды, структурно-механические свойства раствора.

Nasibullin R.M.¹, Mirsayetov O.M.², Akhmadullin K.B.³

¹Chief Engineer of company “Udmurtneft” OJSC, ²Associate Professor, Department of Development and Operation of Oil and Gas Fields, Almeyevsk State Oil Institute, PhD in Engineering, Associated Professor, ³Chief Engineer of company “Neftetrade-Udmurtia” LLC

INCREASING THE STABILITY OF POLYMERIC WATER-PROOFING SCREEN IN THE BOTTOMHOLE AREA OF PRODUCTION WELLS

Abstract

The article analyzes the reasons for the destruction of a polymeric rim when it is moved by water in the Cheretskaya reservoir of the Mishkinskoye oil field. It has been revealed that the destruction is primarily caused by the action of the pumped water hydrodynamic field destructing hydrogen bonds in a polyacrylamide molecule. The conditions required to increase the resistance to hydrogen bond breakdown have been determined. A process solution to increase the strength of hydrogen bonds has been proposed. The article presents the results of studies of changes in structural and mechanical properties and displacing properties of the polyacrylamide solution defining the polymeric rim resistance to water.

Keywords: polymeric rim, polyacrylamide, destruction, hydrodynamic drag, hydrogen bonds, electrochemical water treatment, structural and mechanical properties of the solution.

В нефтепромысловой практике с целью ограничения притока воды к добывающим скважинам еще с середины прошлого века начали применять полиакриламид (ПАА). Добавки ПАА к воде при заводнении приводят к повышению вязкости воды, уменьшению соотношения подвижности воды и нефти, снижению возможности прорыва воды, обусловленной неоднородностью пласта. Вследствие необходимости закачки больших объемов ПАА в настоящее время предпочтение отдается технологиям с применением малообъемных закачек, с созданием водоизолирующей блокады в призабойной зоне добывающих скважин.

Другой причиной применения малообъемных закачек ПАА является нестабильность оторочек с большими объемами закачек ПАА. Однако, уместным было бы отметить, что нестабильность присуща и для малообъемных оторочек ПАА.

Целью данной работы является исследование причин нестабильности водоизолирующей массы ПАА и разработка способов повышения их стойкости к разрушению.

Проблеме стабильности полиакриламида (ПАА) и его водных растворов посвящено достаточно большое количество работ. Деструкция ПАА и его производных может происходить при получении, хранении, переработке и применении полимеров под действием света, тепла, ионизирующего излучения, механических напряжений и биологических факторов, а также при одновременном действии вышеуказанных факторов. Деструкция приводит к уменьшению вязкости ПАА, изменению его строения и физико-химических свойств.

Деструкция ПАА в водных растворах исследовалась в работах [1-8]. При этом установлено, что вязкость водных растворов ПАА уменьшается со временем. В работе [9] показано, что водные растворы ПАА неустойчивы к действию гидродинамического поля. В работе [10] выявлено уменьшение молекулярной массы ПАА при фильтрации его раствора через пористую среду. В работе [11] в качестве основной причины разрушения полимера названа микробиологическая деструкция водоизолирующей массы.

Анализ результатов опытно-промышленных работ по созданию и применению оторочки ПАА через нагнетательную скважину 1413 на Мишкинском месторождении (турнейский ярус, черепецкий горизонт, вязкость нефти 73 мПа·с), проведенный в рамках данных исследований, позволяет связать нестабильность полимерных оторочек с недостаточной высокими структурно-механическими свойствами водных растворов ПАА  к действию гидродинамического поля. Обоснованием данного утверждения служит следующее. Скв.1411 была подключена под закачку раствора полиакриламида в 1977 году. Закачка раствора ПАА осуществлялась  до 1998 года. Далее скв.1411 была переведена  под закачку  холодной необработанной воды для продавливания оторочки ПАА к

Рис. 1 –  Динамика обводненности реагирующих скважин в зоне воздействия скв.1411 (Мишкинское месторождение)

эксплуатационным скважинам. На рисунке 1, и рисунке 2 представлены динамики обводненности и добычи нефти реагирующих скважин в зоне влияния нагнетательной скв. 1411.

Рис. 2 – Динамика добычи нефти реагирующих скважин в зоне воздействия скв.1411 (Мишкинское месторождение)

Из графиков на рисунках 1 и 2 следует,  что после завершения закачки  ПАА и начала закачки холодной необработанной воды, после длительного и постепенного снижения, резко возросла обводненность продукции, а добыча нефти снизилась. Полученные результаты дают основание полагать, что основной причиной деструкции полимерной оторочки является недостаточная устойчивость водных растворов ПАА к действию гидродинамического поля воды.

При гидродинамическом воздействии происходит ослабление взаимодействия ПАА с водой. Изменения вязкости растворов ПАА можно объяснить изменением конформационного состояния макромолекул вследствие изменения внутримолекулярных взаимодействий за счет Н-связей различного типа. На рисунке 3 представлена схема внутримолекулярных изменений макромолекулы ПАА в воде.

Рис. 3 – Схема внутримолекулярных изменений макромолекулы ПАА в воде [12]: 1- начальное состояние; 2- конечное состояние; X,Y,Z - различные типы H- связей

В исходных растворах ПАА увеличение вязкости раствора происходит за счет образования водородных Н-связей типа (X,Y,Z). После гидродинамического воздействия происходит разрушение Н-связей типа (X, Y) и сохраняются только Н-связи типа Z, что сопровождается уменьшением размера макромолекулярного клубка и понижением вязкости раствора полимера. Кроме того, образуются полимер-полимерные Н-связи, также приводящие к уменьшению размеров макромолекулярных клубков и гибкости макромолекул. В результате этих изменений затрудняется деформация и ориентация макромолекул в потоке, что снижает гидродинамическую стойкость ПАА. В связи с этим, необходимо решение проблемы повышения устойчивости водородных Н-связей типа (X, Y).

Теоретические исследования, направленные на поиск технических решений данной проблемы, позволили выявить условия повышения стойкости связей типа X, Y. Одним из условий является обмен водорода на дейтерий при его наличии в воде для растворения ПАА. Стойкость молекулы ПАА к действию гидродинамического поля воды при этом должна возрастать, так как энергия связи D-О на 2 ккал/моль больше, чем для связи Н-О.  Другим условием является значение величины рН. При увеличении  рН более 10 происходит рост вязкости раствора ПАА [13].

В работе экспериментально установлено, что  обозначенные условия могут быть реализованы при электрохимической обработке воды с минерализацией 6 г/л и рН = 6. В процессе электрохимической обработки воды происходит увеличение рН до 11 и образование малых концентраций дейтерия [14].

Вода после электрохимической обработки была использована для получения растворов ПАА.  Исследования структурно-механических свойств проводились на растворах полиакриламида марки РDA-1020 с концентрацией 0,025%, 0,05%, 0,075%, 0,1% и 0,125%. Определение вязкости раствора и предельного динамического сопротивления сдвига производилось на ротационном вискозиметре ВСН-3.

На рисунке 4 приведены графические зависимости вязкости полимерного раствора от концентрации ПАА для полимерных растворов, приготовленных на необработанной воде (2) и воде, подвергнутой электрохимической обработке (1).

Рис. 4 – Зависимость вязкости полимерного раствора от концентрации ПАА: 1- полимерный раствор приготовлен на воде, подвергнутой электрохимической обработке; 2-  полимерный раствор приготовлен на необработанной воде

На рисунке 5 приведены графические зависимости предельного динамического сопротивления сдвига от концентрации ПАА для полимерных растворов, приготовленных на необработанной воде (2) и воде, подвергнутой электрохимической обработке (1).

Рис. 5 –  Зависимость предельного динамического сопротивления сдвига полимерного раствора от концентрации ПАА: 1- полимерный раствор приготовлен на воде, подвергнутой электрохимической обработке; 2-  полимерный раствор приготовлен на необработанной воде

Полимерный раствор с концентрацией ПАА (0,05-0,1) % масс., приготовленный на обработанной воде, имеет максимальную вязкость раствора около 7 мПа∙с., то есть на 2 мПа∙с  выше вязкость раствора на необработанной воде. Предельное динамическое сопротивление сдвига также увеличивается, примерно, на 0,3 Н/м².

Увеличение вязкости и предельного динамического сопротивления сдвига свидетельствует об изменении межмолекулярных связей ПАА с водой и перестроении молекулярной структуры раствора полимера, и отражает повышение стойкости к гидродинамической деструкции.

Для оценки стойкости полимерной оторочки были проведены исследования стойкости полимерных оторочек на физических моделях пластов, составленных из кернов, отобранных при проходке черепетского горизонта в скважинах 1413 и 1608 Мишкинского нефтяного месторождения. Модели пластов насыщали нефтью черепетского горизонта Мишкинского нефтяного месторождения вязкостью 75 мПа∙с при пластовой температуре 32 ºС. Далее проводили вытеснение нефти раствором ПАА, приготовленном на обработанной воде. Объем прокаченного раствора ПАА составлял 0,25 от первоначального объема пор модели пласта. Далее закачивали воду. Для сравнения, вытеснение нефти проводили раствором ПАА на необработанной воде. Результаты лабораторных исследований представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Результаты сравнительных исследований значений нефтеотдачи

N п/п	Способ обработки воды для приготовления  раствора ПАА	Температура раствора ПАА, оС	Нефтеотдача в % от начального содержания в модели		Количество прокачано- го рабочего агента (в первона-чальных объемах пор модели)
			до прорыва вытесняю-щего агента	при обводнении продукции, 98%
1	Необработан- ная вода	20	12,0	51,0	1,7 (в том числе: 0,25 оторочка полимерного раствора)
2	Электрохими-ческая обработка воды	20	17,0	61,0	1,3 (в том числе: 0,25 оторочка полимерного раствора)

 

Полученные результаты говорят об увеличении нефтеотдачи при вытеснении нефти полимерной оторочкой, приготовленной с применением электрохимической обработки воды, и, следовательно, о повышении ее стойкости к гидродинамическому воздействию нагнетаемой воды.

Таким образом, в работе установлено, что основной причиной деструкции полимерной оторочки на основе ПАА является недостаточно высокая стойкость к воздействию гидродинамического поля воды. Теоретически выявлены условия регулирования структурно-механических свойств раствора ПАА. Предложено техническое решение с применением электрохимической обработки воды для приготовления раствора ПАА, реализующее выявленные условия и позволяющее регулировать структурно-механические свойства раствора за счет повышения стойкости связей типа X, Y в молекуле ПАА и увеличения рН. Полученные величины нефтеотдачи при вытеснении высоковязкой нефти на модели пласта полимерной оторочкой, приготовленной на обработанной воде и структурно-механические свойства, позволяет использовать их в качестве полимерного водоизолирующего экрана в призабойной зоне добывающих скважин для ограничения водопритока.

Выводы

• Основной причиной деструкции полимерной оторочки является недостаточно высокая стойкость водного раствора полиакриламида к воздействию гидродинамического поля нагнетаемой воды.
• Уменьшение вязкости раствора ПАА после гидродинамического воздействия можно объяснить изменением внутримолекулярных взаимодействий за счет разрушения водородных связей типа (X, Y) и образованием межмолекулярных водородных связей, что приводит к уменьшению размеров макромолекулярных клубков, гибкости макромолекул и затрудняет деформацию и ориентацию макромолекул в потоке.
• Выявлены условия повышения стойкости к разрушению водородных связей и регулирования структурно-механических свойств, заключающиеся в увеличении энергии связи водородных связей путем замены водорода на дейтерий и увеличении рН раствора более 10.
• Предложено технологическое решение на основе электрохимической обработки воды для приготовления раствора ПАА, позволяющее увеличивать рН раствора с образованием малых концентраций дейтерия.
• Полученные изменения структурно-механических и вытесняющих свойств раствора полиакриламида, приготовленного на воде, подвергнутой электрохимической обработке, являются определяющими в повышении стойкости полимерной оторочки к воздействию водой и при ее применении в качестве полимерного водоизолирующего экрана в призабойной зоне добывающих скважин.

Литература

1. Narkis N., Rebhuhn M.//Polymer. 1966. V.10. N 6.P. 507.
2. Shyluk W., StowS.// Appl. Polym. Sci. 1969.V.13.P.1023.
3. GardnerL., Murphy W.R., Geehan T.G.// Appl. Polym. Sci. 1978.V.22.P881.
4. Haas H.C., MacDonald R.L.//Polym.Sci.Polym.Letters.Ed. 1972.V.10.P.461-467.
5. Recasens F., Surirans J. A.//IUPAC Int.Symp.Macromol.Chem.Madrid. 1974.V.1.P.466.
6. Darscus R.L., Jordan D.O., Kurucsev T. et al.//J.Polym.Sci.Part A3.1965.P.1941.
7. Alfrey T., Fuoss R.M., Morawwets H. et al.//J.Am.Chem.Sos. 1952.V.74.P.438.
8. Chemelir M., Künschner A., Barthell E.//Angew. Makromol.Chem.1980.Bd.89.S.145.
9. Поех И.Л., Макогон Б.П., Ступникова Т.В. и др.//ДАН УССР. Сер.Б. Геол., хим. И биол. Науки. №10.С.31-33.
10. Hashemzaden A., Kuliske W.-M.//Chem.Ing.Nechn.1986.V.58.№4.P.325-327.
11. Берлин А.В., Гилаев Г.Г. Повышение эффективности разработки месторождений нефти в сложных геологических условиях//Научно-технический вестник Роснефть. - 2007. - №4. - с.38-43.
12. Абрамова Л.И., Байбурдов Т.А., Э.П. Григорян и др. Полиакриламид – М.:Химия, 1992 -192 с.
13. Кудинов В.И., Сучков Б.М. Интенсификация добычи вязкой нефти из карбонатных коллекторов.- Самара: Кн. изд-во, 1996.- 440 с.
14. Алабышев А.Ф., Вячеславов П.М., Гальнбек А.А., Животинский П.Б., Ротинян А.Л., Федотьев Н.П. Прикладная электрохимия.- Л.: Химия, 1974.- 536 с.

References

1. Narkis N., Rebhuhn M.//Polymer. 1966. V.10. N 6.P. 507.
2. Shyluk W., StowS.// Appl. Polym. Sci. 1969.V.13.P.1023.
3. GardnerL., Murphy W.R., Geehan T.G.// Appl. Polym. Sci. 1978.V.22.P881.
4. Haas H.C., MacDonald R.L.//Polym.Sci.Polym.Letters.Ed. 1972.V.10.P.461-467.
5. Recasens F., Surirans J. A.//IUPAC Int.Symp.Macromol.Chem.Madrid. 1974.V.1.P.466.
6. Darscus R.L., Jordan D.O., Kurucsev T. et al.//J.Polym.Sci.Part A3.1965.P.1941.
7. Alfrey T., Fuoss R.M., Morawwets H. et al.//J.Am.Chem.Sos. 1952.V.74.P.438.
8. Chemelir M., Künschner A., Barthell E.//Angew. Makromol.Chem.1980.Bd.89.S.145.
9. Poeh I.L., Makogon B.P., Stupnikova T.V. i dr.//DAN USSR. Ser.B. Geol., him. I biol. Nauki. 1986.№10.S.31-33.
10. Hashemzaden A., Kuliske W.-M.//Chem.Ing.Nechn.1986.V.58.№4.P.325-327.
11. Berlin A.V., Gilaev G.G. Povyshenie jeffektivnosti razrabotki mestorozhdenij nefti v slozhnyh geologicheskih uslovijah//Nauchno-tehnicheskij vestnik Rosneft'. - 2007. - №4. - s.38-43.
12. Abramova L.I., Bajburdov T.A., Je.P. Grigorjan i dr. Poliakrilamid – M.:Himija, 1992 -192 s.
13. Kudinov V.I., Suchkov B.M. Intensifikacija dobychi vjazkoj nefti iz karbonatnyh kollektorov.- Samara: Kn. izd-vo, 1996.- 440 s.
14. Alabyshev A.F., Vjacheslavov P.M., Gal'nbek A.A., Zhivotinskij P.B., Rotinjan A.L., Fedot'ev N.P. Prikladnaja jelektrohimija.- L.: Himija, 1974.- 536 s.