Способ разработки неоднородного нефтяного пласта
Владельцы патента RU 2298088:
Открытое акционерное общество "Татнефть" им. В.Д. Шашина (RU)
Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к способам разработки нефти из неоднородного нефтяного пласта, и может быть использовано для увеличения нефтеотдачи неоднородных пластов и изоляции обводнившихся скважин. Технический результат - увеличение охвата пласта воздействием путем закачки дисперсии коллоидных частиц, образованных за счет внутримолекулярной сшивки водной суспензии полиакриламида, или полисахарида, или эфира целлюлозы и полиоксихлорида алюминия, что ведет к изменению фильтрационных и нефтевытесняющих параметров неоднородного пласта, а также повышение технологичности и экологичности способа. Способ разработки неоднородного нефтяного пласта включает закачку в пласт водной дисперсии коллоидных частиц полиакриламида, или полисахарида, или эфира целлюлозы, содержащей полиоксихлорид алюминия при следующем соотношении компонентов, мас.%: полиакриламид, или полисахарид, или эфир целлюлозы 0,005-0,5, полиоксихлорид алюминия 0,0015-0,1, вода остальное, при этом объем указанной дисперсии рассчитывают по формуле V=πR2mh, где R - радиус проникновения дисперсии в пласт, м, m - средняя пористость, доли единиц, h - суммарная толщина принимающих интервалов, м. 2 табл.
Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к способам разработки нефти из неоднородного нефтяного пласта, и может быть использовано для увеличения нефтеотдачи неоднородных пластов и изоляции обводнившихся скважин.
Известен способ добычи нефти путем последовательной закачки в пласт растворов полиакриламида и соли алюминия, отличающийся тем, что между оторочками полиакриламида и соли алюминия закачивают оторочку пресной воды. Недостатком является то, что на поверхности готовят концентрированный раствор полимера, который разбавляется, продвигаясь по пласту, и не всегда достигает необходимой степени гелеобразования (патент РФ №2086757, опубл. 10.08.1997).
Известен состав для закачки в пласт, включающий смесь анионного полимера и соли поливалентного катиона и воды при следующем соотношении компонентов, мас.% (патент РФ №2215870, опубл. 10.11.2003):
| анионный полимер | 0,001-0,08 |
| соль поливалентного катиона | 0,0005-0,002 |
| вода | остальное |
Недостатком данного состава является то, что он не эффективен в высокопроницаемых пластах из-за недостаточного содержания полимера и соли поливалентного катиона в смеси. Вследствие этого количество образовавшихся капсулированных систем и их размеры недостаточны для закупоривания высокопроницаемых зон пласта. В результате не происходит перераспределения фильтрационного потока закачиваемой вслед воды и снижается коэффициент охвата пласта воздействием.
Также известен способ изменения проницаемости подземной формации, заключающийся в инжектировании в подземную формацию гелеобразующей композиции, в котором указанная гелеобразующая композиция содержит инкапсулированный сшивающий агент, второй полимер и жидкость. Сшивающий агент представляет собой соединение многовалентного металла или органический сшивающий агент. Сшивающий агент инкапсулируется первым полимером (гомополимер или сополимер гликолята и лактата, поликарбонат, полиангидрид или их смесь) с использованием двойной эмульсионной технологии или методом сушки распылением. Метод инкапсулирования усложняет и удорожает данный способ (патент РФ №2250987, опубл. 27.04.2005).
Известен способ разработки неоднородного пласта, включающий закачку в пласт дисперсии коллоидных частиц полимера и соли поливалентного катиона (патент РФ №2167281, опубл. 20.05.2001). В качестве полимера используют водный раствор полиакриламида, полисахарида, полиметакриламида и производные целлюлозы. По данному способу полимер реагирует с поливалентным катионом с образованием поперечных химических связей между макромолекулами, приводящими к получению полимеров сетчатого пространственного строения. Этот процесс происходит во времени, т.е. необходим индукционный период для гелеобразования (сшивки). Образовавшиеся в пласте в результате сшивки гидрогели обладают достаточно высоким начальным градиентом давления сдвига в порах и трещинах, очень низкой подвижностью. Кроме того, перед закачкой дисперсии сначала готовят полимерный раствор на поверхности, что требует дополнительного времени и наличия специального оборудования. При применении этого способа зачастую возникает необходимость удаления гелеобразующей композиции из ствола скважины, а после формирования геля в пласте - восстановления проницаемости нефтенасыщенных пропластков.
В качестве солей поливалентных катионов используют ацетата, тартраты, цитраты, хромат и бихромат аммония и щелочных металлов, хромовые и алюмокалиевые квасцы, в частности ацетат хрома. Слабая изученность экосистем с точки зрения возможности окисления трехвалентной формы хрома в более токсичную шестивалентную форму (предельно допустимая концентрация - ПДК=0,1 мг/л), а также возможное присутствие Cr+6 в товарном продукте, содержащем соли хрома в трехвалентной форме, привело к определенным ограничениям в использовании технологий на базе соединений хрома в ряде западных стран и в некоторых регионах России. Алюмокалиевые квасцы имеют ограниченную растворимость и плохо совмещаются со сточными водами, при контакте с ними выпадает осадок гидроксида алюминия. Растворение происходит во времени.
С целью улучшения фильтрационных свойств полимерных систем дополнительно вводят дисперсии гель-частиц (ДГЧ), набухающих в 100-5000 раз, но не растворимых в воде, что ведет к образованию дисперсии коллоидных частиц со следующей концентрацией компонентов, мас.%:
| водорастворимый полимер | 0,1-1,0 |
| соль поливалентного катиона | 0,001-0,5 |
| дисперсия гель-частиц | 0,001-0,1. |
В качестве гель-частиц используют частично сшитые внутримолекулярными связями сополимеры акрилатных мономеров с эфирами целлюлозы, метиленбисакриламида и др. Эти гель-частицы довольно быстро начинают набухать в закачиваемом растворе, что ведет к увеличению давления закачки дисперсной системы. Это усложняет технологический процесс, происходит удорожание его за счет использования дорогостоящих реагентов.
Способ эффективен в пластах с высокой проницаемостью с наличием развитой системы трещин. В неоднородных терригенных коллекторах набухшие гель-частицы закупоривают поры на входе и не дают проникнуть сшитому малоподвижному полимерному раствору в глубь пласта, что снижает охват пласта вытеснением и эффективность способа в целом.
Наиболее близким является способ разработки неоднородного нефтяного пласта, включающий закачку в пласт водной дисперсии коллоидных частиц полиакриламида, или полисахарида, или эфира целлюлозы, содержащей хлорид алюминия (патент США №4009755, опублик. 01.03.1977).
Технический результат - увеличение охвата пласта воздействием путем закачки дисперсии коллоидных частиц, образованных за счет внутримолекулярной сшивки водной суспензии полиакриламида, или полисахарида, или эфира целлюлозы и полиоксихлорида алюминия, что ведет к изменению фильтрационных и нефтевытесняющих параметров неоднородного пласта, а также повышение технологичности и экологичности способа.
Способ разработки неоднородного нефтяного пласта, включающий закачку в пласт водной дисперсии коллоидных частиц полиакриламида, или полисахарида, или эфира целлюлозы, содержащей хлорид алюминия, отличающийся тем, что используют в качестве хлорида алюминия полиоксихлорид алюминия при следующем соотношении компонентов указанной дисперсии, мас.%:
| полиакриламид, или полисахарид, или | |
| эфир целлюлозы | 0,005-0,5 |
| полиоксихлорид алюминия | 0,0015-0,1 |
| вода | остальное |
при этом объем указанной дисперсии рассчитывают по формуле
V=πR2mh, где
R - радиус проникновения дисперсии в пласт, м,
m - средняя пористость, доли единиц,
h - суммарная толщина принимающих интервалов, м.
В результате взаимодействия раствора полимера и соли поливалентного катиона происходит образование трех типов связи.
Первый - сшивание нескольких полимерных цепей - называется межмолекулярной или межцепной сшивкой, с образованием сетчатой структуры, которая относится к связнодисперсному типу дисперсий коллоидных частиц. В прототипе сшивка происходит по этому типу.
Второй тип связи - ионы поливалентного катиона взаимодействуют только с одним звеном полимерной макромолекулы.
Третий тип связи называют дальнодействующей внутримолекулярной сшивкой, при ней происходит сшивание двух полимерных сегментов, находящихся на некотором расстоянии друг от друга. Сшивки этого типа не ведут к образованию сетки.
Введение полиоксихлорида алюминия в водную суспензию полиакриламида, или полисахарида, или эфира целлюлозы при оптимальном соотношении позволяет получить на основе гетерофазной сшивки по третьему типу дисперсию коллоидных частиц. Внутренняя часть коллоидных частиц содержит воду, а оболочка состоит из полимерных молекул, соединенных друг с другом полиоксихлоридом алюминия. Коллоидные частицы свободно располагаются в водной фазе и не связаны друг с другом. Такой тип дисперсных систем называется свободнодисперсным.
Образующаяся по предлагаемому способу дисперсия коллоидных частиц (ДКЧ) на основе суспензии полиакриламида, или полисахарида, или эфира целлюлозы и поликсихлорида алюминия (ПОХА) способна двигаться в глубь неоднородного пласта на значительные расстояния, накапливаясь постепенно в порах и изолируя их. Благодаря этому происходит перераспределение потоков фильтрующегося по пласту нефтевытесняющего агента, что способствует увеличению охвата пласта воздействием и ведет к повышению коэффициента нефтеотдачи способа разработки нефти из неоднородного пласта. Размер коллоидных частиц составляет 0,1-5,0 мкм.
Технологический процесс закачки ДКЧ осуществляется без предварительного растворения полимера. Порошок полиакриамида (ПАА), или полисахарида (ПС), или эфира целлюлозы (ЭЦ) шнековым дозатором подается в струйный аппарат, где смешивается с водой и в виде суспензии поступает в напорный трубопровод, где смешивается с раствором полиоксихлорида алюминия и через нагнетательную линию направляется в нагнетательную скважину. Такой способ закачки в пласт водной суспензии полиакриламида, или полисахарида, или эфира целлюлозы и полиоксихлорида алюминия намного технологичнее, при этом существенно сокращается время его осуществления.
Использование в качестве сшивателя полиоксихлорида алюминия имеет ряд преимуществ: наличие отечественного производства, дешевизна, экологичность - эти соли алюминия используются в качестве коагулянта при очистке воды в системе питьевого водоснабжения. Санитарно-экологическое преимущество полиоксихлорида алюминия перед солями хрома и другими солями алюминия проявляется в меньшем содержании остаточного алюминия в воде. В случае использования ПОХА для сшивки полимерных молекул остаточное содержание оксида алюминия составляет 0,6 г/л, т.е. приближается к предельно допустимой концентрации ПДК алюминия, которая соответствует 0,5 мг/л по Al2O3.
Состав товарного полиоксихлорида алюминия с достаточной полнотой описывает объединенная химическая формула в гидроксидно-хлоридной форме:
где а=1,2-1,4; b=3-а=1,8-1,6; n=2,4-4,5; m=3-5;
x=1, 2, 3... - повторяющиеся тримерно-тетрамерно-пентамерные звенья.
ПОХА при смешении его с водой растворяется практически сразу и полностью.
Выбор концентрации водной суспензии полиакриламида, или полисахарида, или эфира целлюлозы и полиоксихлорида алюминия был обусловлен следующими критериями. Верхняя его граница - получением относительно однородных, кинетически и агрегативно устойчивых дисперсных систем при введении в водную суспензию полиакриламида, или полисахарида, или эфира целлюлозы полиоксихлорида алюминия. Нижняя концентрационная граница - получением эффекта, заключающегося в улучшении технологических свойств дисперсии коллоидных частиц.
Найдено, что оптимальным содержанием массовой доли ПАА, или ПС, или ЭЦ с точки зрения получения дисперсии коллоидных частиц является 0,005-0,5% содержание, а массовой доли ПОХА 0,0015-0,1%, при этом размеры образующихся коллоидных частиц удовлетворяют условиям выравнивания фильтрационной неоднородности пласта. В этом диапазоне концентраций получаются наиболее прочные, устойчивые во времени дисперсии коллоидных частиц.
При применении данного способа на участках с высокой неоднородностью пласта при выборе объема закачки дисперсии коллоидных частиц необходимо учитывать суммарную толщину интервалов пласта, принимающих закачиваемую воду, которая определяется по результатам геофизических исследований профиля приемистости. Радиус проникновения в пласт дисперсии коллоидных частиц при выравнивании проницаемостной неоднородности пласта должен составлять 15-20 м при давлении закачки, не превышающем давления гидроразрыва пласта. Объем закачиваемой дисперсии рассчитывается по формуле
V=πR2mh,
где R - радиус проникновения дисперсии в пласт, м;
m - средняя пористость, д.ед.;
h - суммарная толщина принимающих интервалов, м.
Были проведены всесторонние лабораторные исследования и испытания предлагаемого способа.
Размер образующихся коллоидных частиц определялся следующим образом. Проводилась последовательная фильтрация одной и той же дисперсии через систему фильтров, расположенных в порядке убывания размера их пор. Каскадная фильтрация осуществлялась через такие фильтры: обычная фильтровальная бумага (dnop=5-10 мкм) → бумажный фильтр "белая лента" (dпор=3-5 мкм) → бумажный фильтр "синяя лента" (dпор=1-2,5 мкм) → мембранный фильтр Владипор №8 (dпор=0,751-0,850 мкм) → мембранный фильтр Владипор №4 (dпор=0,351-0,450 мкм) → мембранный фильтр Владипор №3 (dпор=0,251-0,350 мкм). Осадок на фильтрах промывался дистиллированной водой, после чего фильтры высушивались до постоянного веса при температуре 80°С (мембранные фильтры) и 105°С (бумажные фильтры). По полученным данным рассчитывались весовое и процентное содержание каждой фракции коллоидных частиц. В результате было выявлено, что размер коллоидных частиц лежит в интервале 0,1-5,0 мкм.
Параметром, характеризующим способность частиц проникать и накапливаться в порах пласта, является отношение, предложенное А.Н.Патрашевым, осредненного диаметра пор породы пласта к размерам частиц:
η0=D/d,
где η0 - коэффициент фильтрации;
D - осредненный диаметр пор породы пласта;
d - диаметр капсулированных систем.
В свою очередь проницаемость пористой среды зависит от размера пор:
,
где К - проницаемость пласта, мкм2,
m - пористость, д.ед.
Подставляя значения размеров коллоидных частиц в эти уравнения, находят значения проницаемостей пласта, в которых закачиваемая дисперсия коллоидных частиц будет проявлять максимальную эффективность при вытеснении нефти. Эти значения проницаемостей пласта лежат в интервале 0,01-5 мкм.
Изучение влияния данного способа на изменение фильтрационных и нефтевытесняющих параметров, характеризующих изменение охвата пласта вытеснением, а также сравнение с прототипом проводилось с использованием физических моделей слоисто-неоднородных пористых сред с непроницаемыми границами раздела.
Лабораторные насыпные модели представляют собой две одинаковые трубки из нержавеющей стали длиной 150 см, внутренним диаметром 2,7 см, плотно заполненные молотым кварцевым песком, с общим входом и раздельными выходами. При этом одна трубка (более проницаемый пропласток) содержит песок, проницаемость которого по нефти кратно превышает проницаемость песка в другой трубке (менее проницаемый пропласток).
В качестве вытесняемой нефти используют дегазированную девонскую нефть с Карабашской УКПН вязкостью при температуре 20°С 13-19 мПа·с.
В качестве полимера использовались полиакриламид марки DP 9-8177 с молекулярной массой 6,7 млн ед., полисахарид ксантан, эфир целлюлозы Полицелл СК-1.
В качестве соли поливалентного катиона использовались:
- полиоксихлорид алюминия производства химического завода им.Войкова (ОАО "Аурат") г.Москва под товарным названием "Аква-Аурат™-30" (ТУ-6-09-05-1456-96);
- ацетат хрома (AX), представляющий собой твердое кристаллическое вещество, выпускается в виде 50% водного раствора с плотностью 1300 кг/м3 (ТУ 2499-001-50635131-00).
В качестве дисперсии гель-частиц - водонабухающий полимер АК-639 с концентрацией 0,01%.
Первичное вытеснение нефти проводилось до общей обводненности остаточной нефти 95-99%. После этого в общий вход модели закачивали дисперсию коллоидных частиц по предлагаемому способу при разных концентрациях компонентов и по прототипу.
В качестве фильтрационного параметра, характеризующего неравномерность процесса вытеснения в двух разнопроницаемых трубках, использовали парциальный (относительный) дебит жидкости менее проницаемого пропластка q до и после вытеснения оторочки. При этом чем больше увеличивается парциальный дебит менее проницаемого пласта, тем эффективнее данный способ вытеснения нефти с точки зрения охвата неоднородных по проницаемости пластов воздействием.
Основные условия и средние результаты вытеснения нефти на двухслойных моделях по предлагаемому и известному способам представлены в табл. 1.
| Таблица 1 | |||||
| Наименование | Един. измер. | 0,2% ПАА 0,02% ПОХА 99,78% вода | 0,1% ПАД, 0,02% ПОХА 99,88% вода | 0,5% ксантан 0,025% ПОХА 99,475% вода | 0,2% ПАА, 0,02 АХ, 0,01 ДГЧ известный 99,77% вода |
| Количество проведенных опытов | 5 | 5 | 5 | 3 | |
| Содержание глинопорошка в пористой среде | мПа·с | 5 | 3 | 5 | 3 |
| Нефтепроницаемость: | |||||
| более проницаемой трубки | мкм2 | ||||
| менее проницаемой трубки | мкм2 | 3,82 0,46 | 4,02 0,24 | 4,66 0,69 | 15,4 0,43 |
| Соотношение проницаемостей | д.ед | 8,3 | 16,7 | 6,75 | 35,8 |
| Вытеснение водой: | |||||
| Относительное кол-во жидкости на выходе | ΣVпор | 11,0 | 7,06 | 12,16 | 8,31 |
| Конечная обводненность жидкости на выходе двухслойной среды | % | 98,5 | 98,0 | 99,6 | 99,0 |
| Коэффициент вытеснения нефти | % | 49,9 | 37,5 | 49,0 | 47,0 |
| Парциальный дебит по жидкости: менее проницаемой трубки q' | д.ед. | 0,074 | 0,006 | 0,101 | 0,070 |
| Доизвлечение с дисперсией (10% ΣVпор): | |||||
| Относительное количество профильтрованной жидкости (ОКПЖ) | ΣVпор | 14,2 | 11,52 | 11,28 | |
| Конечный коэффициент вытеснения нефти | % | 64,6 | 50,4 | 62,3 | 55,1 |
| Прирост коэффициента вытеснения нефти | % | 14,7 | 12,9 | 13,3 | 8,1 |
| Парциальный дебит по жидкости: менее проницаемой трубки q'' | д.ед. | 0,348 | 0,059 | 0,535 | 0,12 |
| Кратность увеличения парциального дебита менее проницаемой трубки | б/р | 4,7 | 9,8 | 5,3 | 1,7 |
Как видно из табл. 1, парциальный дебит менее проницаемой трубки при осуществлении предлагаемого способа увеличился в среднем в 6,6 раза, а по известному способу в 1,7 раза, а прирост коэффициента вытеснения нефти составил соответственно 13,6% и 8,1%.
Эффективность предлагаемого способа разработки нефти из неоднородного нефтяного пласта в лабораторных условиях определялась путем тестирования фильтрационных и нефтевытесняющих свойств дисперсий коллоидных частиц на девонских кернах с использованием установки "Core Lab" по специальной методике.
Анализ полученных результатов тестирования проведен на примере основного фильтрационного параметра - остаточного фактора сопротивления (ОФС), показывающего, во сколько раз возросло фильтрационное сопротивление при фильтрации воды после закачки дисперсии коллоидных частиц по сравнению с начальным фильтрационным сопротивлением при фильтрации воды перед закачкой дисперсии коллоидных частиц. С увеличением фактора сопротивления и особенно остаточного фактора сопротивления увеличивается коэффициент охвата пласта воздействием.
Подбор концентрации полимера осуществлялся с учетом проницаемости керна. Основные условия и результаты тестирования на девонских кернах дисперсных систем представлены в табл. 2.
| Таблица 2 | |||||||
| Испытываемые способы | n | Кпр., мкм2 | m, % | Квыт., % | ФС | ОФС | |
| Предлагаемый | 0,5% Полицелл + 0,1% ПОХА, 99,4% вода | 3 | 2,456 | 17,7 | 75,3 | 53,6 | 88,4 |
| 0,1% ПАА + 0,01% ПОХА, 99,89% вода | 3 | 0,254 | 18,3 | 57,4 | 16,1 | 19,5 | |
| 0,1% ПАА + 0,02% ПОХА, 99,88% вода | 3 | 0,258 | 18,0 | 68,6 | 39,4 | 52,9 | |
| 0,05% Полисахарид, 0,025% ПОХА, 999,125% вода | 3 | 0,377 | 15,1 | 52,5 | 23,6 | 42,8 | |
| 0,01% ПАА, 0,01% ПОХА, 99,98% вода | 3 | 0,236 | 18,8 | 55,9 | 4,24 | 6,38 | |
| 0,005% ПАА, 0,005% ПОХА, 99,99% вода | 3 | 0,161 | 18,1 | 54,9 | 2,68 | 5,02 | |
| Известный | 0,15% ПАА, 0,02% АХ, 0,001% ДГЧ, 99,729% вода | 3 | 0,512 | 18,2 | 52,9 | 3,1 | 6,6 |
| 0,2% ПАА, 0,005% АКК, 0,001% ДГЧ, 99,794% вода | 3 | 9,470 | 20,1 | 56,2 | 12,3 | 16,1 |
где
n - количество опытов,
Кпр. - проницаемость керна,
m - пористость керна,
Квыт. - коэффициент вытеснения,
ФС - фактор сопротивления,
AX - ацетат хрома,
АКК - алюмокалиевые квасцы.
Как видно из табл. 2, величина ОФС по предлагаемому способу (среднее значение 35,8) превышает значения ОФС по известному способу (среднее значение 11,4) в 3,1 раза. Коэффициент вытеснения нефти составляет соответственно 60,8% и 54,6%. Известный способ хорошо работает в высокопроницаемых пластах, а предлагаемый - в неоднородных по проницаемости пластах. При малой проницаемости керна предлагаемый способ эффективен даже при соотношении компонентов 0,005% ПАА + 0,005% ПОХА, общеизвестно, что при величине ОФС больше 2 вытесняющая композиция работает на увеличение охвата пласта. Следовательно, предлагаемый способ позволяет регулировать охват пласта воздействием путем определения оптимальной концентрации компонентов в зависимости от проницаемости пласта.
Пример.
В способе разработки неоднородного нефтяного пласта закачивают в пласт водную дисперсию коллоидных частиц при следующем соотношении компонентов, мас.%: карбоксиметилцеллюлоза 0,4, ПОХА 0,05, вода 99,55. Объем указанной дисперсии рассчитывают по формуле V=πR2mh. R=20 м, h=3 м, m=0,2, V=753,6 м3.
Применение предлагаемого способа разработки неоднородного нефтяного пласта позволяет увеличить охват пласта воздействием путем закачки дисперсии коллоидных частиц, образованных за счет внутримолекулярной сшивки полимера и соли поливалентного катиона, что ведет к перераспределению фильтрационного потока вытесняющей нефть жидкости и к повышению коэффициента нефтевытеснения, а также повышаются технологичность и экологичность способа.
Способ разработки неоднородного нефтяного пласта, включающий закачку в пласт водной дисперсии коллоидных частиц полиакриламида, или полисахарида, или эфира целлюлозы, содержащей хлорид алюминия, отличающийся тем, что используют в качестве хлорида алюминия полиоксихлорид алюминия при следующем соотношении компонентов указанной дисперсии, мас.%:
| Полиакриламид, или полисахарид, или | |
| эфир целлюлозы | 0,005-0,5 |
| Полиоксихлорид алюминия | 0,0015-0,1 |
| Вода | Остальное |
при этом объем указанной дисперсии рассчитывают по формуле
V=πR2mh,
где R - радиус проникновения дисперсии в пласт, м,
m - средняя пористость, доли единиц,
h - суммарная толщина принимающих интервалов, м
