Методи селективної ізоляції пластової води у свердловинах

Селективність методу полягає в його здатності вибірково знижувати продуктивність обводнених інтервалів у більшій мірі, ніж нафтонасичених.

Методи селективної ізоляції води, як сказано вище, можна поді­лити на три підгрупи методів, що грунтуються на використанні:

а) селективних ізолювальних реагентів, які утворюють закупорюваль­
ний стосовно до порового простору матеріал (осад), розчинний у нафті і
нерозчинний у воді;

б) ізолювальних реагентів селективного діяння, що утворюють заку­
порювальний стосовно до порового простору матеріал тільки внаслідок
змішування з пластовою водою і не утворюють (розкладаються) -
внаслідок змішування з пластовою нафтою;

в) неселективних матеріалів, котрі добре фільтруються в пласт, при­
чому проникають переважно у високопроникні, обводнені ділянки пласта
(гідродинамічний фактор селективності).

В основі селективних методів можуть бути різні явища, ефекти чи властивості, а саме:

1) різна розчинність твердого матеріалу в нафті і пластовій воді (тверді вуглеводні - нафталіни, віск, парафін; поліолефіни, смоляні полі­мери, алкілароматичні смоли, крохмаль, стеаринова кислота). Відходи виробництва поліетилену (полімери бензинового і промрозчинного пото­ків), поліетилен низького тиску, поліпропілен із групи поліолефінів придатні до використання в тріщинуватих колекторах (як і інші тверді матеріали) за температур 80-170°С (за температур до 80°С знижується ефективність внаслідок зменшення розчинності в нафті, а за температури понад 170°С твердий полімер переходить у розтоп). Ці речовини здатні розчинятися в нафті і залишаються у твердому вигляді у воді. Запомповування таких матеріалів здійснюється у вигляді розтопів, перенасичених розчинів або суспензій. У разі використання суспензій може спостерігатися винесення полімеру із тріщин пласта після оброблення; додаванням гіпсу або карбо­натів можна зміцнити тампон, але при цьому знижується селективність;

2) гідрофобізація поверхні гірської породи практично усіма вуглевод­невими рідинами, гідрофобними емульсіями, ПАР, силанами, асідолмило-нафтом; силани (органохлорсилани, органоацетоксисилани, силоксани,

органоалкоксилани тощо) розчиняються в нафті і гідролізуються водою будь-якої мінералізації з утворенням кремнійорганічного полімеру, але вони токсичні, вибухо- і вогненебезпечні;

3) руйнування емульсій і пін під час контактування з нафтою;

4) обернення емульсій під час контактування з пластовою водою (випадають асфальтено-смолисті речовини, малорозчинні у воді солі або утворюються гелеподібні структури);

5) набухання матеріалу у воді (суспензії полівінілового спирту, жела­тини, агар-агару, глини, полігліколевого ефіру); водний розчин КМЦ з до­даванням реагенту-зшивача і ортокрезолу як уповільнювача; дисперсії полімерів „Процес-А", „Процес-В"; останні два полімери запомповують у солоній воді (молекула згорнута в спіраль), відтак пластова вода меншої мінералізації витісняє солону воду, а полімер набухає;

6) утворення осаду в результаті хімічних обмінних реакцій з солями пластової води (гідроокиси полівалентних і лужних металів, розчини складних ефірів, мила високомолекулярних кислот і інш.);

7) утворення осаду в результаті реакції гідролізу, тобто реакції з водою (хлориста сірка, деякі метали, ефір титану, органічні силікати, каніфольне мило, ізоціанурова кислота);

8) коагуляція під час змішування з пластовою водою (колоїдні систе­ми, неорганічні золі на основі окислів заліза, алюмінію, кремнієвої кислоти, натуральні і синтетичні латекси, суспензія галактоманової смоли, полі­мери - похідні акрилової і метакрилової кислот). Гіпан і ПАА утворюють ізоляційну структуру внаслідок висолювання під дією електроліту (випа­дання осаду) і структуроутворення, а також адсорбційного і механічного втримування молекул полімеру. Кополімери метакрилової кислоти і їх композиції (метас, комета, МАК-ДЕА і інш.) на відміну від гіпану характе­ризуються підвищенням фазової нафтопроникності і осадоутворенням за меншої мінералізації пластової води;

9) рекція конденсації і поліконденсації в присутності пластової води з утворенням закупорювальної структури (акро'щна кислота, поліізоціонати, смоли алкідного типу, силани, а також комбінації двох або декількох матеріалів - водорозчинних і нерозчинних у нафті ефірів і мил, які після реакції з солями пластової води утворюють водонерозчинні і нафто-розчинні продукти;

10) адсорбційна здатність полімерів (ПАА, який створює селективний опір воді без значного зниження проникності для нафти);

11) зниження розчинності матеріалу за зміни рН середовища (водні розчини таніна і солей полівалентних металів).

На основі аналізу патентів і експериментальних досліджень у роботі [408] дано ще і таку класифікацію селективних водоізолювальних

сумішей за механізмом тампонування і типом використовуваних мате­ріалів (рис. 3.11).

У першу групу об'єднано матеріали, які взаємодіють з пластовою водою та утворюють при цьому водонерозчинний продукт. У вуглевод­невому середовищі закупорювальна маса не утворюється або продукти реакції в подальшому розчиняються в нафті. До цього класу відноситься велика кількість матеріалів з різними фізико-хімічними властивостями: вони можуть бути як неорганічного, так і органічного походження. Меха­нізм утворення закупорювальної маси в них у водному середовищі базу­ється на реакції об'ємного розкладання, гідролізі, електростатичній коагу­ляції, гідратації, хімічній взаємодії із солями, що містяться у водах, та ін. У той же час при одному і тому ж виді утворення екранувальної маси в залежності від фізико-хімічних властивостей водоізолювальної суміші потрібні різні умови. Наприклад, якщо для перетворення гіпану або мило­нафту в закупорювальну масу необхідною є наявність в електроліті йонів дво- чи тривалентних металів, то для коагуляції латексів типу ДВХБ-70 достатньо наявності йонів одновалентних металів. Провести чітку межу між властивостями матеріалів, які забезпечують селективність ізоляції тільки водонасиченої частини продуктивного пласта, не завжди можливо. Закупорювання шляхів водоприпливів при запомповуванні деяких сумішей досягається за рахунок кількох властивостей. Коагуляція синтетичних

Рис. 3.11 - Класифікація селективних водоізоляційних сумішей (за Булгаковим [408])

латексів настає при руйнуванні захисної оболонки, яка обгортає частинку латекса. Це відбувається при контактуванні з електролітом за рахунок нейтралізації від'ємного заряду глобул або зміни температури середо­вища понад 40°С чи менше 5°С за рахунок дегідратації захисної оболонки. Однак стирольні латекси типу СКС-65 та інші володіють вищою розчин­ністю у вуглеводневому середовищі, ніж дивінілхлоридні типу ДВХБ-70. Про це свідчить зміна динамічного коефіцієнта в'язкості розчинника (нафти), визначеного із урахуванням природнього зростання в'язкості його у часі. Тобто, використання стирольних латексів для ізоляції вод у нафто­вих свердловинах є перспективнішим, ніж ДВХБ-70.

За механізмом закупорювання до цієї ж групи можуть бути віднесені способи ізоляції вод із використанням однокомпонентних розчинів, що дають у ході гідролізу осад. Наприклад, такими властивостями володіють розчини солей тривалентного заліза, водорозчинні натрієві солі карбокси-метилцелюлози, двоокиси, водорозчинні натрієві солі органічних кислот, які при взаємодії із солями пластової води, котра містить іони Са²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺ та інші, утворюють нерозчинний у воді осад. Для утворення нероз­чинних осадів також можна використовувати йони хлору, які містяться в пластовій воді і реагують із запомповуваними солями. Наприклад, при запомповуванні розчинів солей свинцю (нітрати, перхлорати, персульфати) та змішуванні їх з пластовою водою випадає осад хлориду свинцю РЬС1₂. У США для боротьби із обводнюванням нафтових і газових сверд­ловин рекомендують використовувати сірку та її сполуки. Всі способи передбачають використання або вільної сірки як закупорювального агента, або її нерозчинних сполук, що випадають в осад в результаті відповідних реакцій. Наприклад, спосіб селективної ізоляції шляхів водо-припливів у нафтовій свердловині із використанням монохлориду сірки S₂C1₂ оснований на гідролізі його при контактуванні з водою та утворенні вільної сірки, що випадає в осад. В обводнений об'єкт монохлорид подають у вигляді розчину в нафті. Вільна сірка випадає в осад і у випадку запомповування у водяний пласт діоксиду (двоокису) сірки S0₂ та роз­чину його в аніліні (C₆H₅-NH₂).

Відомо також способи зниження проникності обводнених пластів і пропластків у продуктивній зоні шляхом запомповування в пласт двох реагентів, які інертні відносно нафти, а в присутності води вступають між собою в реакцію із утворенням нерозчинних у воді продуктів, котрі за­купорюють водоносні пори пласта. Наприклад, у результаті реакції FeS04+H₂Si0₂+H₂0-> Fe(OH)₂+Si0₂+H₂S0₄ утворюються дві нерозчин­ні у воді речовини: гідрат закису заліза Fe(OH)₂ та силікагель Si0₂.

Є ряд розробок, що передбачають утворення осаду в пластових умовах за рахунок зміни розчинності запомповуваних матеріалів при

змішуванні з водою або набуханні їх при контактуванні з нею. Наприклад, полігліколієві ефіри, які отримано із окису етилену та невеликої кількості води, смоли на основі високомолекулярного поліізоціанату, гідрофільний полімер поліуретан з рідиною на нафтовій основі при контактуванні з водою збільшуються в об'ємі в 5-Ю разів порівняно з об'ємом сухого порошку.

До цієї групи способів віднесено також використання сульфатовіднов-лювальних бактерій. За цим способом у пласт нагнітають водний розчин, котрий містить сульфатовідновлювальні бактерії, залізоамонієвий суль­фат і пасиватор для попередження передчасного осадження металу. У результаті життєдіяльності бактерій протягом тривалого часу із сульфату амонію (NH₄)₂S0₄ та закисного заліза FeO виділяється сірководень H₂S, а сульфід заліза FeS випадає в осад.

У другу групу об'єднано способи і відповідно до них матеріали, які володіють низькими адгезійними властивостями з поверхнею, покритою нафтою, або не мають зчеплення з поверхнею порід, покритою нафтою, чи не тверднуть у нафтовому середовищі. Типовим представником даної групи є гель, утворений у результаті кополімеризації мономерами акрил-аміду та N, N'-метиленбісакриламіду в присутності ініціаторів полімери­зації за умов пласта. У вуглеводневій рідині, наприклад у нафті, полімери­зація не відбувається, хоч у складі суміші є і зшивальний агент. Як показує практика використання даного матеріалу на свердловинах та в лабора­торних умовах, адгезія його із гірськими породами за наявності нафти дуже мала. Нафтонасичена частина пласта не закупорюється кополіме-ром. Хоч запомповування матеріалу здійснюється через експлуатаційний фільтр, селективне закупорювання шляхів водоприпливів зумовлює різке збільшення дебіту нафти при зменшенні кількості супутно видобутої води.

Аналогічні результати можуть бути отримані при конденсації бути­лового спирту і альдегідів у присутності кислоти (каталізатора). З водою реакція конденсації відбувається значно швидше, ніж у вуглеводневому середовищі. При відновленні експлуатації свердловини з урахуванням різниці часу затвердіння запомповуваної суміші у зазначеному середовищі незатверділі суміші вимиваються із нафтовмісного інтервалу пласта.

Третю групу складають методи селективної водоізоляції, коли зни­ження проникності пласта для води досягається за рахунок адсорбційного і механічного втримування частинок тампонувального матеріалу в порах.

Адсорбція із розчинів є складним процесом, оскільки вона залежить від властивостей розчинника, розчиненої речовини, а також від структури та природи твердої поверхні. На адсорбентах з дуже дрібними порами великі молекули органічних сполук мало адсорбуються, тобто адсорбція в даному випадку залежить від молекулярної маси розчиненої речовини.

Є цілий ряд методів ізоляції вод, основаних на даному явищі. Наприклад, адсорбційні властивості водорозчинних полімерів дають змогу припус­тити, що частина ізоляційного ефекту у ході запомповування їх у пласт відбувається за рахунок адсорбції. Наприклад, карбоксильні і амідні групи частково гідролізованого поліакриламіду (ПАА) полярні, що сприяє адсорбції полімеру на поверхні пористого середовища, яке складається з пісковика або карбонатних порід.

У разі наявності границь між водо- і нафтонасиченими породами (пісковиками) селективна ізоляція забезпечується використанням в'язких вуглеводневих рідин або зависей асфальтового матеріалу (смоли, бітуму, гудрону) в сирій неочищеній нафті чи в ароматичних вуглеводнях (бензолі, ксилолі та ін.). Для цієї мети може бути використаною гідрофільна емуль­сія. Ізоляція каналів у пісковиках також можлива за рахунок адсорбції асфальтенів та смол при пропомповуванні через них девонської нафти або її суміші з мазутом. Обмеження припливу при цьому досягається внас­лідок утворення пристінних шарів та зміни міжфазового натягу.

Механізм закупорювання шляхів водоприпливів даними матеріалами базується на явищах адсорбції асфальтенів з нафти, механічного втриму­вання їх у порах, що призводить до утворення пристінних шарів, зміни між­фазового натягу та випаданню асфальтенів в осад. Поряд із цим дані ма­теріали менш інтенсивно адсорбуються на нафтонасичених породах і лег­ко розчиняються в нафті, чим зумовлюється селективний характер заку­порювання.

Природно, що третя група об'єднує матеріали, які інтенсивно адсор­буються у водному середовищі і практично не адсорбуються при нагні­танні їх в нафтонасичену частину пласта. Після початку відбирання нафти проникність нафтонасиченої частини пласта відновлюється до почат­кового стану, в той час як у водовмісному інтервалі відновлення проник­ності не відбувається.

Четверта група селективних водоізолювальних матеріалів за даною класифікацією складається з матеріалів, що обмежують приплив води із пластів за рахунок гідрофобізації поверхні гірських порід.

За механізмом закупорювання способи обмеження припливу вод за рахунок гідрофобізації поверхні порід дещо відрізняються від названих вище. Вони базуються на використанні фізико-хімічних явищ, які відбу­ваються на границях розділу: тверде тіло - рідина - газ. При запомпо-вуванні аерованих рідин із додаванням нафторозчинних ПАР вода ви­тісняється із привибійної зони в глибину пласта. Бульбашки повітря, роз­риваючи аномальні шари води, прилипають до твердої поверхні і тим самим сприяють гідрофобізації поверхні пористого середовища в приви-бійній зоні. Це призводить до збільшення проникності для нафти і до

зниження її для води. Окрім того, використання ПАР сприяє очищенню внутрішньої поверхні пор від відкладів асфальто-смолистих речовин. Гідрофобізація поверхні порід може бути також досягнута використанням кремнійорганічних сполук.

Названі приклади свідчать про велике розмаїття фізико-хімічних властивостей матеріалів, які входять в одну і ту ж групу, і про широкі можливості їх використання. Подана класифікація показує, що для цієї мети можна використовувати матеріали органічного і неорганічного походження і в різному фазовому стані.

Описані водоізоляційні матеріали, які розроблено для селективної ізоляції пластових вод, знайшли різного масштабу використання на наф­тових родовищах. Так, на Туймазинському родовищі випробовувались методи, основані на використанні в'язких нафт, водонафтових емульсій, розчинів церезину, озокериту в гасі, бензині, а також полімерні матеріали типу милонафту і латексу. З різних причин ці методи не знайшли прак­тичного застосування. Запомповування в пласт перенасичених твердих вуглеводнів потребує глибокого прогрівання привибійної зони, що трудно здійснювати. У разі застосування методів, які основані на утворенні осаду при взаємодії з мінералізованою водою (милонафт, латекс), часто різко зростає тиск запомповування, що призводить до гідророзриву пласта або до закупорювання його нафтонасиченої частини. Найбільш ефективним із селективних методів ізоляції в умовах нафтових родовищ Башкорто­стану виявилось запомповування піни в пласт. Хоч тривалість ефекту да­ного методу є порівняно невеликою, але в ряді свердловин, де цементу­вання не давало позитивних результатів, після запомповування суміші водних розчинів ПАР (ДС-РАС) з повітрям видобуто значну кількість до­даткової нафти. Найбільш широко використовують для ізоляції пластових вод у нафтових свердловинах полімери на основі акрилових кислот, що пов'язано з високою ефективністю та невеликою вартістю матеріалу.

Селективні методи, які випробувано в промислових умовах, за вла­стивостями застосовуваних матеріалів і реагентів можна підрозділити на шість основних підгруп [179]:

а) гомогенні вуглеводневі системи (розчини парафіну, нафта, мазут, їх
суміші, дизельне пальне тощо);

б) гідрофобізатори (ПАР, милонафт тощо);

в) цементні розчини на вуглеводневій основі;

г) полімерні суспензії;

ґ) водні розчини полімерів (латексу, гідролізованого поліакриламіду -ГІІАА, гідролізованого поліакрилонітрілу - гіпану) і різні тампонувальні суміші на основі цих розчинів;

д) газорідинні системи (двофазні, трифазні піни).

Селективні водоізолювальні матеріали можна ще систематизувати в три групи: 1) органічні і полімерні матеріали; 2) неорганічні водоізо­лювальні реагенти; 3) елементоорганічні сполуки [369].