книги бурение / Увеличение нефтеотдачи неоднородных пластов на поздней стадии ра / 4

4

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА ФЛОКУЛЯЦИИ ГЛИНИСТЫХ СУСПЕНЗИЙ ПОЛИАКРИЛАМИДОМ

4.1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ

Способ регулирования процессов заводнения послойнонеоднородных пластов и увеличения конечной нефтеотдачи на основе использования полимердисперсных систем (ПДС) впервые был разработан проф. А.Ш. Газизовым (а.с. РФ № 933963) [41].

Принцип действия ПДС на нефтеводонасыщенную породу основывается на повышении фильтрационного сопротивления обводненных зон коллектора. При взаимодействии полимеров и частиц глинистой суспензии, а также дисперсных частиц пород продуктивного пласта в пористой среде и трещинах с водой образуются полимерминеральные комплексы, обладающие водоизолирующими свойствами. Превращение дисперсных частиц в водоизолирующую массу приводит к значительному увеличению фильтрационного сопротивления обводненных зон коллектора, снижению степени неоднородности пласта по проницаемости и росту охвата его заводнением.

Под воздействием ПДС в продуктивном пласте происходит перераспределение фильтрационных потоков как по разрезу, так и по площади залежи, подключение в процесс разработки неработающих прослоев, а в итоге – увеличение конечной нефтеотдачи на 1,5-5 % [41, 57 и др.].

В технологическом отношении способ заключается в последовательном нагнетании в высокообводненный и промытый водой пласт слабоконцентрированных растворов полимеров и водной суспензии глины. В механизме образования ПДС в пластовых условиях важную роль играет полимер, под воздействием которого происходит флокуляция частиц глины

188

с потерей гравитационной устойчивости. Наличие ионогенных групп в полимерной цепи обеспечивает достаточно высокую адгезионную связь ее не только с поверхностью пор и трещин, но и с твердыми частицами пород и частицами глинистой суспензии. Являясь полифункциональными, они оказывают различное воздействие на устойчивость твердых частиц.

Закономерности флокуляции в жидких дисперсных системах, описанные в трудах С.С. Воюцкого, Ю.И. Вайцера, Д.Н. Минца, К.С. Ахмедова и других ученых, показывают, что оптимальная доза полимера, обеспечивающая образование наиболее крупных хлопьев и быструю седиментацию, обратно пропорциональна квадрату радиуса частиц. Расход полимера зависит от удельной поверхности дисперсной фазы, и изменение этой поверхности с увеличением или уменьшением массовой концентрации коллоидных частиц приводит к изменению оптимальной дозы полимера. Существенно влияют на расход полимера свойства поверхности дисперсной фазы, минерализация воды, температура среды и др. Ранее эти исследования проводились в основном применительно к технологическим процессам очистки вод и структурирования почв. Закономерности процессов флокуляции глинистых суспензий в пластовых условиях нефтяных залежей в присутствии флокулянтов (полимеров), приводящих к образованию полимердисперсных систем, практически не изучены. В связи с этим основная задача лабораторных исследований заключалась в изучении механизма образования ПДС и изыскании возможностей регулирования технологических параметров ее для снижения подвижности воды в высокопроницаемых зонах неоднородного пласта. Экспериментальные исследования были направлены на решение следующих задач:

а) оценку флокулирующих свойств известных и доступных для промыслового применения полиакриламидов;

б) определение оптимальных соотношений концентраций водных растворов полимеров и глинистой суспензии;

в) изучение зависимости флокуляционных процессов глинистой суспензии от минерализации воды, температуры среды и дисперсности глин;

г) исследование физико-химических свойств полимердисперсной системы;

д) изучение влияния полимердисперсных систем на фильтрационную характеристику пористых сред;

е) изыскание способов регулирования характеристик ПДС с применением химических продуктов-модификаторов.

189

4.2. ИССЛЕДОВАНИЕ КОЛЛОИДНО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГЛИНОПОРОШКОВ И СУСПЕНЗИЙ НА ИХ ОСНОВЕ

Дисперсной фазой глинистых суспензий, которые используются при формировании ПДС, являются бентонитовые глинопорошки промышленного производства, которые применяются в процессах бурения скважин и добычи нефти. В связи с тем, что образование структурированной ПДС – сложный, многостадийный, многофакторный процесс, включающий как элементарный акт взаимодействия полимерповерхностные активные центры, так и кооперативное связывание агрегатов и флокул, была произведена оценка свойств исследуемых образцов глинопорошков как с точки зрения их химической и минералогической природы, так и с позиции классической коллоидной химии. Подобные характеристики, без сомнения, необходимы для интерпретации результатов исследований флокуляции и структурно-механических свойств ПДС, а также прогнозирования поведения различных глинопорошков в реальных пластовых условиях.

Для исследования были взяты два образца глинопорошков производства ЗАО «Керамзит», г. Серпухов (ППБ) и производства Альметьевского завода глинопорошков (ПБИ). Результаты определения минералогического состава образцов методом рентгенофазового анализа на приборе ДРОН-4-07 представлены в табл. 4.1. Очевидно, что сложный состав глинопорошков существенно различается и в качественном и в количественном отношении. Так, основным компонентом глинопорошка ПБИ является смешанослойный минерал, который представляет собой слои монтмориллонита и слюды с преобладанием монтмориллонита. Образец ППБ в качестве основного компонента содержит палыгорскит – минерал подкласса цепочечных силикатов Mg[Si4O10]2(OH)2(H2O)4× × 4H2O, который кристаллизуется в моноклинной сингонии. Его частицы представляют собой агрегаты кожистого, волокнистого строения. Образец ПБИ содержит каолинит – гидросиликат алюминия, а образец ППБ долотомитовую известняковую породу.

При сравнительном анализе химического состава образцов глинопорошков (табл. 4.2), видно, что образцы имеют близкий состав по диоксиду кремния SiO2, Fe2O3, P2O5 и существенно различаются по присутствию оксидов щелочно-земельных металлов. Указанные обстоятельства вызывают необходи-

190

мость исследования сорбционных свойств глин, которые играют определяющую роль при адсорбции полимеров из водного раствора на их поверхности. Существенную роль при формировании и уплотнении структурированных осадков ПДС играют удельная поверхность, плотность, пористость и другие коллоидно-химические свойства. Эти данные приведены в табл. 4.3 не только для исследуемых глинопорошков, но и для бентонитовой глины Биклянского месторождения, на основе которой получен ПБИ. Анализ данных таблицы показывает, что используемые глинопорошки существенно различаются по адсорбционным коллоидно-химическим свойствам. ППБ отличается большой удельной поверхностью, объемом пор и их средним диаметром. Альметьевский глинопорошок ПБИ характеризуется высоким содержанием микропор.

191

Обращает на себя внимание то обстоятельство, что промышленные порошки содержат модифицированные природные компоненты. На это указывает существенное различие адсорбционно-структурных свойств бентонита Биклянского месторождения и изготовленного на его основе глинопорошка для буровых растворов ПБИ. Сущность модификации, повидимому, состоит в промывке, механической обработке, фракционировании и других операциях, которые входят в технологический регламент. Тем не менее при выборе глинопорошка для использования в ПДС, применяемых для ограничения водопритоков на различных месторождениях, необходимо эмпирическим путем регулировать подбор дисперсной фазы для глинистых суспензий.

В табл. 4.4 представлены сравнительные характеристики по насыпной плотности и по содержанию связанной воды. Эти данные указывают на большое содержание связанной воды в глинопорошке производства ЗАО «Карамзит» г. Серпухов (ППБ). Существенно различается и насыпная плотность, что, по-видимому, связано с волокнистой формой частиц палыгорскита.

Полезные свойства бентонитовых глин определяются специфическими особенностями кристаллохимии и структуры основного минерала этих глин – диоктаэдрического монтмориллонита [46].

Силикатные слои монтмориллонита характеризуются гете-

192

ровалентным изоморфным замещением части ионов Al3+ на ионы Mg2+ (реже на ионы Fe2+). С гетеровалентным изоморфизмом связано появление избыточного отрицательного заряда в силикатных слоях, который компенсируется межслоевыми катионами кальция, магния, натрия и калия. Однако в отличие, например, от слюд в монтмориллонитах межслоевые катионы, как правило, координационно связывают молекулы воды, что резко снижает их эффективный заряд. Поэтому нейтрализация избыточных отрицательных зарядов силикатных слоев межслоевыми катионами может быть неполной. С нашей точки зрения, в этом состоит главная особенность кристаллохимической структуры монт-мориллонита, обусловливающая важнейшую роль молекул воды как компенсаторов положительных и отрицательных зарядов. С этим связаны многие полезные свойства этого минерала, главного компонента бентонитовых глин.

На рис. 4.1 представлена схема кристаллической структуры монтмориллонита. Молекулы воды образуют водородные связи с кислородами ОН-групп, координационно связанных с ионами Mg2+ октаэдрических сеток. Образование гидроксильных связей донорно-акцепторного типа приводит к определенной компенсации избыточных отрицательных зарядов, локализованных на соответствующих ионах кислорода. Роль этой формы молекул воды, служащей мостиком между силикатными слоями и молекулами воды гидратных слоев, по-видимому, возрастает по мере увеличения степени гидратации глины и смешения межслоевых катионов относительно базальных поверхностей силикатных слоев. Таким образом, кристаллохимическая структура монтмориллонита включает сложную систему связей между полимерными силикатными слоями и межслоевыми гидратно-ионными прослоями и, следовательно, последние служат необходимым элементом единой кристаллохимической структуры минерала.

193

Рис. 4.1. Схема структуры монтмориллонита:

1 – кислород; 2 – гидроксил; 3 -кремний; 4 – Al3+, Fe3+; 5 – магний; 6 – молекулы воды; 7 – межслоевые катионы; 8 – электровалентная связь; 9 – водородная межмолекулярная связь; 10 – водородная гидроксильная связь

194

При изучении кристаллохимии монтмориллонита необходимо также учитывать широко распространенный изовалентный изоморфизм между Al и Fe3+ и нередко обнаруживаемый гетеровалентный изоморфизм между Si и Al4+ в тетраэдрических позициях. Вхождение этих ионов в определенной степени также влияет на характер распределения и компенсации избыточных отрицательных зарядов силикатных слоев. Химический состав монтмориллонитов в пробах разных месторождений, а в некоторых случаях в отдельных фракциях даже одной пробы может заметно различаться. Следовательно, как характер компенсации отрицательных и положительных зарядов, так и активная роль молекул воды неодинаковы, что отражается в реальных свойствах глин.

Используя существующие методики, мы определили обменную емкость (ОЕ) двух образцов глинопорошков и число глинистости. Итоговые расчетные данные приведены в табл. 4.5.

Большое число глинистости для ППБ характеризует наличие высокодисперсного монтмориллонита в бентоните. Качество глинопорошка тем выше, чем выше число глинистости.

Для получения более детализированной характеристики анализируемой дисперсной фазы реакционный состав суспензий глинопорошков и средние размеры частиц определяли методами седиментационного и мокрого ситового анализа. В табл. 4.6 приведены значения, полученные для грубодисперсной песчаной фракции.

Эти данные указывают, что процентное содержание крупных частиц в целом выше для ПБИ, однако для фракции 0,5

эти показатели выше для ППБ. Приведенные качественные характеристики свидетельствуют, что для «дальнодействия» и формирования ПДС большей протяженности предпочтительнее использовать ППБ.

Седиментационный анализ проводился в режиме свободного (неестественного) оседания на торсионных весах типа ВТ-500. По опытным данным построили кинетические кривые (рис. 4.2, а и 4.2, б), на базе которых были рассчитаны средние скорости осаждения и радиусы частиц каждой фракции.

Дифференциальные кривые распределения частиц по размерам F(r) приведены на рис. 4.3, а, б. Очевидно, что водные глинистые суспензии полидисперсны. Средние радиусы частиц лежат в интервале от 3 10-6 до 28 10-6 м.

Преобладающие радиусы частиц для Альметьевского глинопорошка ПБИ -4 10-6 м, а для Серпуховского ППБ - 10 10-6 м. В целом, ПБИ отличается более узким распределением частиц по размерам, т.е. суспензия менее полидисперсна.

В связи с тем, что суспензии глинопорошков при закачивании в пласт образуют ПДС в многокомпонентной минерализованной среде с модифицирующими добавками, были оценены значения рН и удельной электропроводимости суспензии. Некоторые результаты этих определений представлены на рис. 4.4 и 4.5. На рис. 4.4 представлена зависимость рН водной вытяжки для Альметьевского глинопорошка ПБИ от концентрации дисперсной фазы. Из приведенных данных очевидно, что среда суспензии щелочная. При этом с увели-

Рис. 4.2. Кривые оседания частиц суспензии глины ППБ (а) и ПБИ (б). Здесь и далее τ – время оседания; Q -масса осадка

196

Рис. 4.3. Дифференциальные кривые распределения частиц по размерам F (r ).

Глины: ППБ (à) è ÏÁÈ (á); r – средний радиус частиц

Рис. 4.4. Зависимость рН суспензии глины ПБИ от концентрации дисперсной фазы:

1 – свежеприготовленная суспензия; 2 – суспензия, выдержанная в тече- ние суток

чением концентрации дисперсной фазы в суспензии величи- на рН изменяется экстремально, достигая максимума при массовом содержании глинопорошка в суспензии 3 %.

С увеличением времени хранения суспензии рН несколько возрастает. Изменение рН связано с процессами, которые происходят на межфазной границе в результате растворения примесей и возникновения двойного электрического слоя, что приводит к возрастанию содержания ОН-ионов. Ионные равновесия с увеличением концентрации дисперсной фазы смещаются, и величина рН уменьшается. О выходе ионов из дисперсной фазы свидетельствует и величина удельной электропроводимости κ, которая растет с ростом концентрации глины в суспензии. Для образца Серпуховского глинопорошка зависимость рН от концентрации дисперсной

197