Архив WinRAR_1 / Лекции_ХИМИЯ
.pdfразмер пузырьков и распределение размеров пузырьков по фракциям) и температура базовой жидкости, которая должна варьироваться в строго определенных пределах для достижения оптимальных вязкостных характеристик.
Помимо реологических характеристик очень важной является стабильность пены. Потеря стабильности пеной может приводить к снижению ее реологических характеристик и к разрушению пены. Стабильность и текстура главным образом помогают контролировать фильтрационные свойства пены, чем она стабильнее и структурированнее, тем меньше утечек пенной жидкости происходит в пласт, создавая заданную геометрию трещины. Фильтрационные свойства пены контролируются как за счет двухфазного поведения системы, так и за счет образования фильтрационной полимерной корки. Пены обладают повышенным сопротивлением течению, помогающему контролировать утечки за счет блокировки пор газосодержащими пузырьками, не давая жидкой фазе фильтроваться в заблокированные поры породы. Контроль утечек может быть недостаточным в случае, когда размер поровых каналов > размера пузырьков (при проницаемости > 30 мД). В свою очередь жидкая фаза также помогает контролировать утечки, путем образования фильтрационной полимерной корки в процессе фильтрации полимерсодержащей жидкости в пласт. Полимерная корка образуется на породе, создавая непроницаемый барьер жидкости ГРП.
На стабильность влияют следующие факторы: тип применяемого пенообразующего ПАВ, концентрация пенообразователя, газосодержание, тип базовой жидкости (в случае водной жидкости – тип и концентрация используемого полимера), химические добавки и энергия смешения (технология приготовления пены).
Выбор пенообразователя обусловлен главным образом типом пенной жидкости ГРП и совместимостью с пластовым флюидом. В качестве пенообразователей обычно используются производные алифатических аминокислот и производные алканоламинов. При использовании любого пенообразователя обязательным является выполнение всех предусмотренных лабораторных тестов на совместимость пенообразователя с другими добавками к жидкости ГРП (пеногасители, углеводородные добавки, спирты, взаимные растворители могут
12
существенно замедлять образование и стабильность пен), также требуется проверка совместимости жидкости ГРП с пластовыми флюидами для предотвращения образования эмульсий, блокирующих приток нефти к скважине.
Пенные жидкости, как и другие жидкости ГРП, имеют свои преимущества и недостатки по сравнению с другими системами. Преимущества: высокая эффективность применения пен в истощенных пластах, пластах с низким пластовым давлением, водочувствительных пластах и плотных газоносных пластах; обеспечение скважины дополнительной энергией для лучшей очистки пласта; низкие утечки жидкости ГРП в пласт; небольшое влияние на проводимость трещины ГРП; хорошие реологические показатели пенной жидкости при пониженной загрузке полимера в базовой водной жидкости. Недостатки: сложность применения в технологическом плане, необходимость задействования дополнительного оборудования; низкое гидростатическое давление в случае использования азота для создания пены; высокие потери давления на трение в случае использования углекислого газа для создания пены.
Эмульсионные жидкости ГРП
Еще одним типом жидкости, применяемы для ГРП являются эмульсии. Эмульсия представляют собой дисперсную систему, состоящая из двух несмешивающихся фаз, воды и нефти, стабилизированных ПАВ (длинноцепочечные алифатические аммонийные ПАВ). В качестве жидкостей ГРП обычно применяются прямые эмульсии, в которых дисперсионной средой является гелированная (линейная или сшитая) жидкости, а дисперсной фазой – углеводородная жидкость. Содержание водной и углеводородной фаз в эмульсии ГРП составляет соответственно 30-40% и 60-70%. Достоинствами эмульсионных жидкостей ГРП являются: высокая вязкость, хороший контроль утечек, высокая транспортирующая способность, меньшая степень загрязнения пласта в сравнении с водными жидкостями ГРП, высокая степень очистки. К недостаткам можно отнести следующие моменты: низкая стабильность при высоких температурах, высокая стоимость, сложность применения в технологическом плане, высокая пожаровзрывоопасность, опасность для окружающей среды в случае разливов.
13
Добавки к жидкостям ГРП
Современные жидкости разрыва являются комплексными жидкостями. Для придания жидкости ГРП требуемых свойств и характеристик применяют различные химические добавки, как индивидуального, так и комплексного действия. Не все химические вещества, входящие в жидкость ГРП, являются добавками. К добавкам не относятся базовые компоненты, без которых приготовление жидкости ГРП невозможно. Компоненты базовых жидкостей ГРП, не являющихся добавками: гелеобразователи, активаторы, буферные агенты, сшиватели полимерных гелей, эмульгаторы, пенообразователи, полимеры, ВУПАВ, кислоты.
К добавкам ГРП относятся следующие классы реагентов: буферные агенты, бактерициды и биоциды, деструкторы, стабилизаторы глин, антифитльтрационные добавки, понизители потерь давления на трение, температурные стабилизаторы, деэмульгаторы, пеногасители.
Буферные агенты. Обычно буферные агенты используются в жидкостях разрыва для регулирования и поддержания рН в необходимых рабочих пределах и времени сшивки для определенных сшивателей. Типичными буферными агентами являются бикарбонат натрия, фумаровая кислота, комбинация моно- и динатриевого фосфата, кальцинированная сода, ацетат натрия, натриевая или калиевая щелочь и комбинация этих веществ. Другой и, возможно, более важной функцией буфера является гарантирование того, что жидкость разрыва по параметрам находится в пределах технологических норм при деструкции (во время очистки трещины ГРП после проведения обработки). Некоторые разрушители не функционируют вне определенного диапазона pH. Буферные агенты в состоянии поддерживать рН в нужном интервале, даже если пластовая вода или другие источники стремятся изменить общий рН системы.
Бактерициды и биоциды. Для исключения вероятности разрушения жидкости ГРП бактериями и отходами их жизнедеятельности, а также для защиты продуктивного пласта от бактерий применяются различные биоциды и бактерициды. Бактерициды останавливают рост и размножение бактерий. В качестве бактерицидов чаще всего применяются серосодержащие органические основания класса тиазолинов. Биоциды применяются для уничтожения бактерий и
16
дезактивации энзимов (продуктов жизнедеятельности бактерий). В качестве биоцидов применяются четвертичные аммониевые соединения. При использовании бактерицидов и биоцидов очень важна процедура ввода этих реагентов в жидкость ГРП. Хотя бы половина из запланированного количества биоцида или бактерицида должна быть добавлена в емкость для технологической жидкости до того, как она будет заполнена водой (биоциды и бактерициды не применяются в жидкостях на нефтяной основе). Такая методика добавления приведет к быстрому уничтожению бактерий в емкостях. Когда емкость заполнена водой, оставшийся биоцид / бактерицид должен быть добавлен с последующей выдержкой реагента в емкости в течение 6 – 8 часов до начала использования технологической жидкости.
Деструкторы. Деструкторы жидкостей ГРП – это добавки, которые способствуют контролируемому снижению вязкости жидкости разрыва и удалению ее из трещины ГРП. Все деструкторы вводятся в жидкости разрыва в процессе их приготовления. Различают деструкторы для водных и углеводородных жидкостей ГРП.
Деструкторами водных жидкостей ГРП являются энзимы, окислители и кислоты. Энзимные деструкторы представляют собой сложные органические соединения, разрушающие полисахаридные звенья по гликозидной связи до простейших сахаров. Обычно ферментные деструкторы применяются при температурах до 60оС и рН системы от 3 до 8. Примерами энзимных деструкторов являются: альфа-амилаза, амилоглюкозид, олигоглюкозид, инвертаза. Следующим типом деструкторов являются деструкторы окислительного типа. Они функционируют в диапазоне рН от 3 до 14 и применяются при температурах от 20 до 110оС. Окислительные деструкторы разрушают молекулярную структуру полимера до элементарных звеньев. Деструкторы данного типа являются настолько сильными, что действуют на все углеводородные связи полимера. В качестве окислительных деструкторов применяют персульфаты аммония, бихроматы, перманганаты и др. Слабые органические кислоты или эфиры этих кислот тоже применяются для разрушения полимеров в случае повышенных пластовых температур (до 150оС). Для наилучшего разрушения полисахаридных гелей допускается смешение различных типов деструкторов. Также смешение различных
17
типов деструкторов обеспечивает плавность протекания процесса деструкции, исключая технологические риски.
Рисунок 7 – Механизм деструкции полисахаридного геля перекисными деструкторами
Рисунок 8 – Механизм разрыва комплексных связей деструкторами кислотного типа
18
Рисунок 9 – Механизм деструкции полисахаридного геля кислотными деструкторами
Сшитые жидкости ГРП на углеводородной основе разрушаются при помощи деструкторов солевого типа, в качестве которых обычно выступают различные карбонаты одновалентных металлов. Механизм действия заключается в замещении ионов алюминия в комплексе сшитого геля на ионы натрия. Алюминий имеет координационное число 6, следовательно, 6 связей он может образовать (создать структуру), а натрий способен создать только одну связь, таким образом, алюминий, замещаясь на натрий, приводит к разрушению сшитой структуры геля до линейной.
Жидкости на основе ВУПАВ разрушаются по мере их контакта с пластовыми флюидами (нефть, пластовые воды), которые фактически и являются их деструкторами.
Все тесты на деструкцию жидкостей ГРП должны быть проведены до их применения. Недоработки с выбором концентрации разрушителей на ранней стадии ГРП понижают стабильность гелей и могут вызвать их преждевременное разрушение, или наоборот могут привести к недостаточному разрушению жидкости ГРП и блокированию трещины. Разрушители могут быть применены при малых концентрациях на ранней стадии обработки и при больших – на поздней стадии, повышая разрушение и обратный вынос.
Стабилизаторы глин. Многочисленные исследования показывают, что глины, присутствующие в продуктивных пластах могут понижать эффективность обработки. Процентное содержание присутствующих глин может быть не столь важным фактором в сравнении с типом и местоположением глин. Фильтрация жидкостей разрыва в пласт может вызвать набухание глин и их миграцию через поровую систему породы пласта. Оба этих явления приводят к закупорке поровых каналов породы, тем самым серьезно снижая проницаемость пласта. Предотвратить набухание и миграцию глин представляется возможным при помощи агентов-
19
стабилизаторов глин. Общераспространенным агентом-стабилизатором глин является хлорид калия и четвертичные аммониевые соединения. Стабилизаторы глин взаимодействуют с реакционными центрами глин и не дают возможности молекулам воды вступить в контакт с этими центрами.
Понизители фильтратоотдачи. Для придания трещине ГРП необходимой спроектированной геометрии нужен четкий контроль утечек жидкости в пласт в процессе обработки ГРП, особенно это актуально в пластах с высокой проницаемостью, где контроль утечек практически не возможно осуществлять только путем создания полимерной корки на поверхности породы при закачке жидкости ГРП в пласт. В таком случае применяются специальные агенты, которые механически закупоривают поровые каналы и не дают жидкости фильтроваться в породу пласта. Наиболее распространенными понизителями фильтратоотдачи являются тонко измельченные частицы окиси кремния, нефтерастворимые смолы и набухающие резины. Эти добавки стремятся закупорить поровую поверхность породы, создав непроницаемую корку на всем протяжении трещины ГРП, при этом практически не проникая в матрицу коллектора.
Понизители трения. Управление вязкостью позволяет уменьшить потери давления на трение в насосно-компрессорных трубах (НКТ), по которым происходит закачка жидкости ГРП в скважину, до минимума в результате изменения турбулентного потока жидкости на ламинарный. Это позволяет передать на забой дополнительную гидравлическую мощность, повышая таким образом эффективность операции и снижая ее себестоимость, особенно когда идет закачка технологической жидкости с высокой скоростью вниз по НКТ малого диаметра. В этом случае низковязкие водные или углеводородные жидкости стремятся развивать высокую турбулентность, которая трансформируется в высокие сопротивления движению жидкости.
Подавление турбулентности может достигаться путем введения в жидкость ГРП различных полимеров. Для водных жидкостей таким полимером может служить полиакриламид, а для жидкостей на углеводородной основе – сополимер акрилонитрила и метилакрилата.
20
Температурные стабилизаторы. Температурная стабильность жидкости разрыва является результатом стабильности базовой цепи полимера, поддержанием определенного рН жидкости разрыва и/или присутствием деструктора. Полимеры различного строения имеют различную температурную стабильность, как, например, гидроксипропилгуар за счет наличия в его элементарном звене гидроксипропильной группы является более стабильным, чем обычный гуар. Но ни один из применяемых полимеров в жидкостях ГРП не является особенно стабильным в кислотной среде из-за гидролитической деструкции. Следовательно, одним из методов стабилизации жидкости разрыва является увеличение рН. Типичное рН для многих жидкостей разрыва – это от 8 до 10. Большие рН создаются ограничением ионов водорода в жидкости (буферные соединения). Еще одним принципом работы температурных стабилизаторов является удаление свободного кислорода из системы. Температурным стабилизатором такого типа является тиосульфат натрия. Он удаляет кислород путем химического взаимодействия с ним.
Деэмульгаторы. Образование эмульсий может происходить в пласте после проведения ГРП в результате неправильного подбора базовых жидкостей и добавок ГРП, несовместимых с пластовыми флюидами. Вязкость эмульсий может варьировать от нескольких сП до нескольких тысяч сП. Если эмульсия образуется вблизи ствола скважины, может произойти полное блокирование добычи пластового флюида. Добавка деэмульгаторов в жидкость ГРП должна предотвращать образование таких эмульсий и обеспечивать максимальную очистку трещины ГРП после проведения обработки. В качестве деэмульгаторов в жидкости ГРП добавляются различные ПАВ, примерами таких пав могут являться окиалкилированные спирты и производные аминоспиртов.
Пеногасители. Пеногасители препятствуют способности других ПАВ образовывать пену в процессе подготовки и производства технологической жидкости, таким образом облегчая процесс подготовки и проведения ГРП. Пеногасителями могут являться кремнийорганические соединения типа силоксанов или пропиленгликоли.
21