Композиция для регулирования разработки нефтяных месторождений

 

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к составам на основе биополимера, а именно экзополисахарида, продуцируемого штаммом Azotobacter vinelandii (Lipman) ФЧ-1 ВКПМ В-5933, для регулирования разработки нефтяных месторождений. Техническим результатом является повышение эффективности водоизолирующих композиций, повышение их способности сопротивляться вымыванию нагнетаемой в скважину воды, возможность проведения изоляционных работ в широком интервале температур. Композиция для регулирования разработки нефтяных месторождений, включающая экзополисахарид, продуцируемый штаммом Azotobacter vinelandii (Lipman) ФЧ-1 ВКПМ В-5933 в виде культуральной жидкости, хромкалиевые квасцы и воду, дополнительно содержит натриевую или калиевую соль карбоксиметилцеллюлозы при следующем соотношении компонентов, мас.%: указанный экзополисахарид 3,0 - 10,0, хромкалиевые квасцы 0,05 - 2,0, натриевая или калиевая соль карбоксиметилцеллюлозы 0,05 - 2,0, вода остальное. 3 табл.

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к составам на основе биополимера, а именно экзополисахарида, продуцируемого штаммом Azotobacter vinelandii (Lipman) ФЧ-1 ВКПМ В-5933, для регулирования разработки нефтяных месторождений.

На поздних стадиях разработки месторождений заводнением одним из основных методов повышения нефтеотдачи являются физико-химические методы регулирования фильтрационных потоков воды. Это осуществляется путем селективной изоляции, блокирования высокопроницаемых, хорошо дренируемых зон вязкоупругими составами, гелями на основе полимеров (полиакриламид ПАА, карбоксиметилцеллюлоза КМЦ, ГИПАН и др.), силикатно-щелочным воздействием, осадкообразующими составами на основе, например, кремний органических соединений и др. В этом плане одними из наиболее перспективных являются реагенты на основе природных и синтетических биополимеров, а также эфиров целлюлозы.

Известна гелеобразующая композиция для обработки нефтяных скважин, содержащая простой эфир целлюлозы, неорганическую соль трехвалентного хрома, в частности хромокалиевые квасцы, щелочь и воду (авт.св. СССР №1392077). В качестве простого эфира используется оксиэтилцеллюлоза, глицидированная оксиэтилцеллюлоза или смесь карбоксиметилцеллюлозы с оксиэтилцеллюлозой и дополнительно натриевая или калиевая соль соляной или азотной кислот и натриевая или калиевая соль ортофосфорной кислоты. Широко используется для разработки неоднородной по проницаемости и нефтенасыщенности залежи нефти в качестве ПАВ натрий-карбоксиметилцеллюлоза (Na-КМЦ) (пат. РФ №2107812).

Основным недостатком известной композиции является ее сложность, трудоемкость получения и дороговизна. Кроме того, мгновенное после смешения компонентов гелеобразование исключает закачку указанной композиции в низкопроницаемые глубокозалегающие коллекторы.

Для регулирования разработки нефтяных месторождений используются различные биополимеры, например растворы гетерополисахарида, продуцируемого Xanthomomas campestris (авт. св. СССР №1051226), Acinetobacter sp. (авт.св. СССР №1726732).

Известные гетерополисахариды, в т.ч. ксантан, не обеспечивают требуемого изменения фильтрационного сопротивления при всем многообразии геологических условий.

Известен состав для регулирования разработки нефтяных залежей, содержащий водный раствор полиакриламида и в качестве сшивающего агента хромокалиевые квасцы (авт.св. СССР №985255). Однако этот состав недостаточно эффективен при низких концентрациях полимера вследствие активной адсорбции катиона хрома на породе при высокой концентрации полимера, приводящей к снижению прочности сшитого полимера. Повышение же концентраций, входящих в указанный состав компонентов, недопустимо по соображениям экологической безопасности.

Известен состав для изоляции притока пластовых вод, включающий экзополисахарид (ЭПС), продуцируемый штаммом Azotobacter vinelandii (Lipman) ФЧ-1 ВКПМ В-5933 в виде культуральной жидкости, глинистый силикатный минерал и воду. В качестве глинистого силикатного минерала использовали бентонит (пат. РФ 2128283), палыгорскит (положительное решение по з-ке 2001119850/13).

За счет использования экзополисахарида, продуцируемого штаммом Azotobacter vinelandii (Lipman) ФЧ-1 ВКПМ В-5933 в виде культуральной жидкости, стало возможным уменьшить состав глины в рабочем растворе, не ухудшая технологических показателей закачки раствора.

Недостатком известных составов являются невысокие реологические показатели раствора, неудовлетворительные фильтрационные показатели, невозможность работать в широком диапазоне температур.

Наиболее близким техническим решением к заявляемой композиции является композиция для регулирования разработки нефтяных месторождений за счет изоляции притока пластовых вод, включающая экзополисахарид, продуцируемый штаммом Azotobacter vinelandii (Lipman) ФЧ-1 ВКПМ В-5933 в виде культуральной жидкости, хромокалиевые квасцы и воду (пат. РФ 2107811, 27.03.1998).

Однако этот состав недостаточно эффективен в связи с недостаточной прочностью сшитого полимера и невозможностью использовать состав при температурах выше 60°С.

Техническим результатом данного изобретения является повышение эффективности водоизолирующих композиций, повышение их способности сопротивляться вымыванию нагнетаемой в скважину воды, возможность проведения изоляционных работ в широком интервале температур.

Композиция для регулирования разработки нефтяных месторождений, включающая экзополисахарид, продуцируемый штаммом Azotobacter vinelandii (Lipman) ФЧ-1 ВКПМ В-5933 в виде культуральной жидкости, хромкалиевые квасцы и воду, дополнительно содержит натриевую или калиевую соль карбоксиметилцеллюлозы при следующем соотношении компонентов, мас.%: указанный экзополисахарид 3,0-10,0, хромкалиевые квасцы 0,05-2,0, натриевая или калиевая соль карбоксиметилцеллюлозы 0,05-2,0, вода остальное.

Изучение реологических и гидроизоляционных свойств образцов заявляемых композиций проводили на моделях кернов. Используемое в опытах оборудование:

- вискозиметр Брукфилд (Brookfield - LVT) со сменными шпинделями LV-1, LV-2, LV-3; (Brookfield Engineering Laboratories, Stoughton, Mass., USA);

- вискозиметр - воронка Форда;

мешалки: лабораторная лопастная и магнитная.

В табл.А приведены физико-химические характеристики образцов КМЦ, используемых в исследовании.

Соли КМЦ довольно хорошо растворимы в пресной (водопроводной) воде комнатной температуры. При этом КМЦ набухает, частицы в воде сворачиваются в округлые гранулы белого цвета, становящиеся по мере проникновения в них воды бесцветными. При перемешивании магнитной или лопастной мешалкой 0,05-2,0% водные растворы с полным растворением получают за 1,5 ч. Без перемешивания растворы аналогичной концентрации могут быть получены за 2,5 ч. Методики эксперимента.

Приготовление образцов: Образцы композиций готовили путем последовательного смешения компонентов. Растворяли соль КМЦ во всем объеме воды (по расчету), затем добавляли экзополисахарид, затем вводили хромкалиевые квасцы (К-Сr квасцы). Хромкалиевые квасцы могут вводиться в смесь соли КМЦ и экзополисахарида как в виде раствора, так и в виде кристаллов (порошка).

Стабильность свойств образцов композиций оценивали визуальными наблюдениями и проведением повторных реологических исследований. Для оценки эффективности заявляемых композиций применена методика определения изменения величины просачиваемости воды через модель керна. В качестве модельного керна использовали кварцевый песок Лыткаринского месторождения (фракция - 315+200 мкм), помещенный в исследовательские патроны (трубки) объемом 50 см³. В процессе загрузки в патрон песок тщательно уплотняли постукиванием резиновой трубкой. Снизу патрона находилась сетка, зажатая накидной гайкой. Сверху патрона в накидную гайку вворачивали трубку, через которую осуществляли подачу реагентов (вода, составы).

В загруженный патрон заливали воду и определяли ее просачиваемость (скорость протекания) через керн (среднее из 3-5 параллельных измерений). После этого в патрон заливали образец исследуемой композиции. В случае, если образец не проходил через керн под действием атмосферного давления (самотеком), его подачу в патрон осуществляли с помощью слабого вакуума (водоструйным насосом) - 0,1-0,2 атм. После прохождения через керн образца состава в количестве 2-3 объемов порового пространства подачу его прекращали и патрон закрывали сверху и снизу заглушками. В таком положении его оставляли на 2-3 суток, после чего вновь определяли величину просачиваемости воды. В случае отсутствия просачивания под давлением столба воды в трубке над патроном (избыточное давление порядка 100 мм вод. ст. или 0,01 атм) подключали вакуум (0,1-0,2 атм). Отношение величин просачиваемости до и после обработки керна исследуемым составом давало величину ее снижения и служило оценочной мерой эффективности образцов. Результаты исследований представлены в табл.1.

Водные растворы соли КМЦ хорошо совместимы с растворами ЭПС, при этом не происходит существенного изменения реологических свойств их смесей (табл.1, обр.1 и 2). Оба реагента (КМЦ и ЭПС) относятся к производным целлюлозы, имеют сходное строение молекул (на основе гликозидного кольца). Однако смеси эти неустойчивы и на 7 сутки хранения расслаиваются с образованием темно-коричневого слизеподобного осадка.

Взаимодействие растворов ЭПС с K-Cr квасцами приводит к быстрому выпадению биополимера в осадок в виде крупных хлопьев и комков. Те же самые квасцы вызывают загущение растворов реагентов соли КМЦ без выпадения их в осадок (табл.1, обр.3-6). Структура образцов двухкомпонентной композиции не прочна, легко разрушается перемешиванием и уже не восстанавливается.

Образцы вязких, внешне однородных и стабильных систем были получены в трехкомпонентных композициях, содержащих: соль КМЦ, ЭПС и K-Cr квасцы. Физико-химические и реологические свойства таких смесей меняются уже в течение первых 0,5-1,0 ч (табл.1). При этом время начала загустевания системы следует считать момент введения в смесь ЭПС и соли КМЦ хромкалиевых квасцов.

Состав композиции с требуемыми характеристиками и расходные коэффициенты компонентов (концентрации реагентов КМЦ, ЭПС, К-Сr квасцов) были подобраны экспериментально.

Вязкость системы ЭПС+КМЦ+К-Сr квасцы быстро возрастает, когда в ней присутствует >2,0% соли КМЦ. Особенно интенсивно этот процесс происходит уже через 0,5 ч, зафиксированы крупные желеобразные образования (комки). Через 1-2 ч в них формируется мощная консолидированная система с высокой вязкостью и прочностью структуры. При переливании из одного сосуда в другой такая система движется (перемещается) единым сгустком (куском) и с трудом может быть разделена на меньшие составляющие. В результате определение вязкости с помощью воронки Форда становится невозможным, в вискозиметре же Брукфилда шпиндели зачастую разбивали эти объемные образования на более мелкие составляющие (куски), точное определение вязкости которых представляет определенную трудность.

С помощью вискозиметра Брукфилд удалось уточнить величину инкубационного периода образца заявляемой композиции - около 2,5 ч до начала существенного увеличения вязкости, засекаемого с помощью этого прибора (т.е. >200 мПа·с при скорости 0,3 об/мин).

Вязкость образцов с реагентом КМЦ при концентрации 0,05% увеличивалась несколько менее быстро, чем при концентрации 2,0%. Однако “комки” образовывались также через полчаса после приготовления. Получить приемлемую скорость “схватывания” удалось снижением концентрации ЭПС.

Серия экспериментов с определением концентрации ЭПС в смеси с солью КМЦ и квасцов показала, что снижение ЭПС (до 10%) позволяет существенно уменьшить скорость нарастания вязкости систем с участием солей КМЦ.

Рост вязкости практически во всех образцах несмотря на многократное их перемешивание в ходе повторных реологических исследований свидетельствует о протекании процессов восстановления разрушаемой структуры, которые в целом превалируют над процессами ее разрушения.

Уменьшение концентрации ЭПС в системе ведет к общему снижению ее вязкости. В этой связи вопрос о составе композиции, т.е. о концентрации отдельных компонентов и, соответственно, о технологических свойствах композиции, может быть решен ответом на другой вопрос - о величине необходимой вязкости системы.

Ориентируясь на средние величины эффективной вязкости - не более 50 Па·с (при скорости 0,3 об/мин) и содержание в системе 0,05-2,0% указанной соли КМЦ, технологической концентрацией ЭПС можно считать величину 3-10%. Большее содержание ЭПС нецелесообразно из-за высокой вязкости образующейся системы и неоправданного расхода ЭПС. Меньшее количество ведет к образованию слабой, легко разрушаемой структуры, эффективность “работы” которой в условиях пласта требует специального изучения на моделях кернов.

- более высокой скоростью растворения при комнатной температуре (при размешивании в 1,5 раза, без размешивания в 2 раза);

- композиции (смеси) обладают большим инкубационным периодом начала “схватывания” (загустевания) - не менее 2,5 ч с момента введения в систему квасцов (против 0,5 ч у прототипа без КМЦ);

- более плавное нарастание вязкости;

- более высокая стабильность реологических свойств во времени.

Указанные преимущества делают заявляемую композицию более технологичной в сравнении с наиболее близким аналогом, а ее использование в условиях, например, Арланского месторождения более приемлемым.

Как следует из полученных данных, содержание квасцов менее 0,05% ведет к слабому загустеванию системы, вязкость которой через двое суток составляет 1,6 Па·с (при скорости 0,3 об/мин). Содержание квасцов 2,5% ведет к чрезвычайно быстрому загустеванию системы, вязкость коей уже через 2 ч после изготовления составляет 22 Па·с (при 0,3 об/мин). Состояние системы при этом характеризуется почти полной потерей текучести. Расход квасцов в количестве 0,05-2,0% позволяет достичь достаточно плавного нарастания вязкости с инкубационным периодом не менее 2 ч. Кроме того, прочность структуры нарастает во времени независимо в статических или в динамических условиях (при слабом перемешивании системы шпинделем вискозиметра).

Таким образом, для разрабатываемой композиции концентрацию К-Сr квасцов 0,05-2,0% можно считать оптимальной.

Результаты оценочных экспериментов по определению изменения величины просачиваемости воды под действием обработки модельного керна разработанными составами на основе ЭПС (5,0%), соли КМЦ и хромкалиевых квасцов (1%) приведены в табл.2.

Как следует из приведенных данных, заявляемые композиции на основе соли КМЦ и ЭПС позволяют полностью подавить просачиваемость воды через керн. Изменив давление подачи воды (вакуум - 0,1 атм), удалось вызвать ее просачивание через керн. Таким образом, оценочные опыты по определению эффективности действия разработанных композиций на основе указанной соли КМЦ, ЭПС и хромкалиевых квасцов на моделях кернов показали перспективность трехкомпонентных систем.

Таким образом, проведенный комплекс исследований позволил разработать композицию, удовлетворяющую следующим требованиям:

1) полученная композиция имеет инкубационный период начала загустевания (после введения квасцов) не менее 2 ч;

2) образующаяся густая (через сутки), студнеобразная масса с вязкостью более 10 Па·с (при скоростях сдвига менее 1,0 с^-1) обладает высокой стабильностью и не расслаивается в течение не менее месяца;

3) ЭПС и указанные соли КМЦ активно взаимодействуют с хромкалиевыми квасцами, которые приводят к существенному загущению их растворов.

Характерной особенностью реальных пористых сред, особенно с полимиктовым составом коллекторов и повышенной пластовой температурой, является сильная способность адсорбировать и разрушать в силу действия пластовой температуры, механического и биологического воздействий закачиваемые в них реагенты. По этой причине последние быстро перестают существовать в пористой среде и прекращают полезную работу по дополнительному отмыву и довытеснению нефти. Как показали проведенные теоретические, лабораторные и промысловые исследования, закачка состава, состоящего из экзополисахарида, продуцируемого штаммом Azotobacter vinelandii (Lipman) ФЧ-1 ВКПМ В-5933 в виде культуральной жидкости, соли КМЦ и хромкалиевых квасцов, существенно повышает эффективность применения химреагентов. Композиция обладает высокой активностью, адсорбируя большое количество химреагентов на поверхности среды, повышая тем самым их нефтеотмывающие свойства. Экзополисахарид с солью КМЦ образуют мицеллы, которые при повышении температуры укрепляются и селективно распределяются по пласту согласно своему размеру и диаметру поровых каналов.

Заявляемая композиция, кроме Арланского месторождения, прошла испытания на Ватинском (пласты Б-8 и А-1,2) и Мегионском (пласт А-1, 2) месторождениях. Обводненность в добывающих скважинах на участке воздействия снизилась на 10-30%.

Совокупность результатов, полученных при данных условиях эксперимента и их анализ, позволяет рекомендовать для проведения натурных испытаний на Арланском месторождении.

Формула изобретения

Композиция для регулирования разработки нефтяных месторождений, включающая экзополисахарид, продуцируемый штаммом Azotobacter vinelandii (Lipman) ФЧ-1 ВКПМ В-5933 в виде культуральной жидкости, хромкалиевые квасцы и воду, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит натриевую или калиевую соль карбоксиметилцеллюлозы при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Указанный экзополисахарид 3,0 - 10,0

Хромкалиевые квасцы 0,05 - 2,0

Натриевая или калиевая

соль карбоксиметилцеллюлозы 0,05 - 2,0

Вода Остальное