CC BY
86РЕМОНТ СКВАЖИН
УДК 622.276.6
М.А. Силин, д.х.н., профессор; Л.А. Магадова, д.т.н., профессор; В.В. Пономарева, аспирант; И.С. Максимов, аспирант; В.А. Гличев, РГУ нефти и газа имени И.М.Губкина
РАЗРАБОТКА НЕФИЛЬТРУЮЩЕЙСЯ ПОЛИСАХАРИДНОЙ ЖИДКОСТИ ГЛУШЕНИЯ С ВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТЬЮ НА ВОДНОЙ ОСНОВЕ
В рамках реализации Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы
Актуальной задачей повышения эффективности разработки нефтяных месторождений является сохранение фильтрационных свойств пород в призабойной зоне пласта, близких к естественным. Ухудшение этих свойств происходит на всех этапах эксплуатации скважины: первичном и вторичном вскрытии, креплении-цементировании, а также после глушения в процессе ремонтов скважины. Учитывая то, что количество скважин, подлежащих ремонту, постоянно возрастает, основное число добывающих компаний в последнее время в своей практике уделяют серьезное внимание выбору жидкостей глушения (ЖГ) и других специальных жидкостей.
Причин уменьшения проницаемости пласта в процессе глушения много: в первую очередь, использование несоответствующих его геолого-физическим характеристикам жидкостей глушения, повышенная фильтрация в пласт технологических жидкостей, отложение минеральных солей, образование эмульсий, химическая и биологическая кольмата-ция с последующей закупоркой флюи-допроводящих каналов пласта. Эффективность капитального ремонта во многом определяется способом глушения и материалами, используемыми в этом технологическом процессе, поэтому используемая ЖГ должна обладать определенными физико-химическими свойствами, соответствующими конкретным условиям:
• быть химически инертной к горным породам, составляющим коллектор;
• исключать необратимую кольматацию пор и трещин продуктивного пласта;
• не оказывать коррозионного воздействия на скважинное оборудование и промысловые коммуникации (скорость коррозии труб жидкостями глушения считается приемлемой и безопасной, если она составляет не более 0,125 мм в год);
• обладать стабильностью в конкретных термобарических условиях в течение времени, необходимого для выполнения предусмотренных работ;
• жидкости должны быть взрывопожа-робезопасными и нетоксичными,высокотехнологичными в приготовлении и использовании.
В России в процессах текущего и капитального ремонта скважин наиболее часто используются жидкости глушения на водной основе. Основными причинами этого являются доступность и относительная дешевизна основных компонентов, простота приготовления
технологических жидкостей, их безопасность для персонала, а также более простые и экологичные, по сравнению с ЖГ на углеводородной основе, схемы глушения и утилизации. Для глушения скважин в высокопроницаемых пластах необходимы жидкости, обладающие повышенной вязкостью и низкой фильтрацией. Полисахаридные жидкости глушения (ПСЖГ) на водной или водно-солевой основе, отвечающие этим требованиям, представляют собой гели на основе модифицированных гуа-ров. При добавлении сшивающих агентов полисахаридный гель образует единую сшитую структуру, эффективно блокирующую крупные поры и трещины [1]. Существующие ПСЖГ обладают необходимыми вязкостью, фильтруемостью и термостабильностью, но их максимальная плотность - 1180 кг/м3, кроме того, на них отрицательно влияет наличие многовалентных катионов. В
\\ ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ \\
№ 8 \\ август \ 2010
настоящее время в связи с включением в разработку новых месторождений и широким использованием в качестве метода интенсификации добычи нефти заводнения востребованы ЖГ плотностью 1300 кг/м3 и более. Промышленная ценность полисахаридов заключается в возможности изменять реологические свойства их водных растворов либо через образование геля, либо через изменения их характеристик текучести. Поведение полисахаридов в растворе может быть ньютоновским, псевдопластичным или пластичным; многие полисахариды проявляют тиксо-тропные свойства, то есть растворы характеризуются высокой вязкостью при низких нагрузках (скоростях сдвига) и пониженной вязкостью, когда прикладывается повышенная нагрузка [2]. Полисахариды,синтезируемые на поверхности клеточной стенки микроорганизмов, экзополисахариды (ЭПС) - представляют особый интерес [3]. Микробные полисахариды применяются в нефтяной отрасли как реагенты для выравнивания фронта заводнения,в качестве буровых растворов, промывочных и тампонажных жидкостей для водоизоляции пластов. Преимуществом производства полисахаридов микробным способом является гарантированность производства и качества, не зависящих от внешних факторов, влияющих на урожайность и свойства растительных полисахаридов. Производство полимера может быть проконтролировано в пределах точных ограничений, и масштаб производства может быть приспособлен к рынку; расположение производства может быть также устроено с использованием удобных или дешевых субстратов. Однако, высокая стоимость установки и пуска ферментационного оборудования наряду с большими потребностями в растворителе, сопутствующей потребностью в значительном количестве энергии, а также в квалифицированных кадрах и обеспечении культуры производства накладывает ряд ограничений по размещению производства. В мировой практике нефтедобычи используются несколько основных микробных полисахаридов, культивируемых различными штаммами бактерий на различных питательных средах. К ним относятся ксантан, культивируемый
в среде на основе мелассы; склероглю-кан, культивируемый в среде на основе глюкозы, и эмульсан, культивируемый на этанолсодержащей среде [4]. Ксантан (ксантановая камедь/смола) - наиболее известный микробный полисахарид. Первичная структура микробного ЭПС ксантана показана на рисунке 1.
Основная цепь ксантана построена аналогично целлюлозе (1-4-р-глюко-пираноза), в её ответвлениях - три-сахарид, состоящий из р^-маннозы, Р^-глюкуроновой кислоты и а^-маннозы. Остатки глюкуроновой кислоты и кислые пировиноградные группы придают молекулам ксантана анионный характер. В результате взаимодействия боковых цепочек между собой и с кором образуются высшие структуры ксантана, обусловливающие его свойства. В не-ионизованых растворах или при температурах выше 75°С молекулы ксантана приобретают скрученную конформа-цию, в которой боковые звенья завернуты вокруг основной цепи. Введение в такой раствор даже незначительного количества одновалентных катионов приводит к формированию молекулами ксантана двойной спирали с ионами металла внутри.
Молекулы ксантана в водных растворах склонны к самоассоциации, и с повышением ионной силы раствора или концентрации полисахарида формируется гель. Он представляет собой трехмерную сетку, образованную из двойных спиралей ксантана, связанных межмо-
лекулярными водородными связями. Уже при концентрации полисахарида 0,1% вязкость системы возрастает на порядок, а при 1,0% - в водном растворе формируется гель.
Наличие остатков жирных и уроновых кислот в составе биополимера обусловливает зависимость реологических свойств раствора от состава и концентрации солей и других ингредиентов. Именно с этим связана возможность путем подбора различных добавок создавать композиции с широким спектром свойств.
Ксантан, как было сказано выше, - это разновидность биополимеров, которые успешно применяются при нефтедобыче. Его промышленная ценность состоит в том,что он обладает способностью изменять реологические свойства при растворении их в воде либо путем образования геля, либо путем изменения характеристик текучести. В растворах ксантана имеют место как внутримолекулярные взаимодействия между макромолекулами, приводящие к образованию ассоциатов, так и межмолекулярные взаимодействия, происходящие между макромолекулами полимера с растворителем, в результате которых образуются различные структуры типа сольватов, в том числе и наиболее прочные, сетчатые. Структурирование растворов ксантана,вплоть до образования гелей, возможно и под влиянием внешних факторов, таких как температура, наличие ионов металлов и др. Учитывая особенности реологического поведения растворов ксантана, в течение послед-
WWW.NEFTEGAS.INFO
\\ ремонт скважин \\ 57
РЕМОНТ СКВАЖИН
них лет проводятся работы по использованию этих растворов в качестве селективного тампонирующего материала для снижения обводненности скважин, а также в качестве компонентов буровых растворов и жидкостей глушения. Технологическими свойствами, по которым ксантан превосходит синтетические полимеры, являются:
• псевдопластичность: при превышении статического предела текучести растворы псевдопластичны. Происходит разрушение сетки, двойные спирали вытягиваются в направлении усилия, но со снятием напряжения сетка быстро восстанавливается;
• влияние рН среды: эффективен для высоковязких кислых и щелочных композиций. Сохраняет реологические свойства в пределах рН от 2 до 12;
• совместимость с солями металлов: загущает большинство солевых растворов. В присутствии 5 - 20% NaCL, KCl, CaCl2 или MgCl2 вязкость 0,5% раствора ксантана возрастает на 10%. Двухвалентные соли образуют гели при рН>10. Трехвалентные соли алюминия, железа, хрома образуют гели с 0,15 - 0,25% растворами ксантана [5].
Вырабатывается ксантан микробиологическим способом в гидрокарбонатной среде с добавкой протеина и неорганического азота. Этот биополимер - внеклеточная слизь, образующаяся на поверхности ячейки бактерии Xanthomonas Campestris. Сброженную питательную среду обрабатывают формалином для удаления микробов, осаждают спиртом или очищают методом микрофильтрации. Биополимеры, в частности ксантан, обладая ценными эксплуатационными свойствами, имеют существенный недостаток: высокую подверженность биодеградации, которая в условиях, благоприятных для развития микроорганизмов-деструкторов, может осуществляться в течение нескольких суток, что значительно снижает эффективность их применения. Данный вывод был сделан на основе результатов длительного лабораторного эксперимента по оценке биостойкости таких полимерных реагентов как ПАА, метилцеллюлозы, КМЦ, полианионной целлюлозы и ксантанового биополимера. Эксперименты показали, что ксантан
наименее устойчив к биодеградации по сравнению с протестированными полимерами, полностью разлагается в течение 5-20 дней в зависимости от условий проведения опыта. Однако следует отметить, что при проведении исследований растворы полимеров стерилизовались и перед смешением с различными технологическими водами (пластовой, подтоварной, воды из системы компрессорно-насосной станции) биоцид в растворы полимеров не вводился. Сегодня же введение биоцидов в промывочные и тампонажные жидкости является широко распространенной практикой и успешно решает проблему биодеградации, в том числе и биополимерных растворов [2]. В России в последнее время проводятся интенсивные исследования микробных полимеров, в том числе и связанные с использованием их в качестве реагентов при нефтедобыче. Полученный опыт их применения довольно удачен, таким образом, микробные полимеры становятся конкурентоспособным химическим реагентом для нефтяной промышленности, наряду с другими полимерами синтетической природы. В рамках реализации Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы сотрудниками кафедры Технологии химических веществ для нефтяной и газовой промышленности РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина были проведены исследования по разработке утяжеленных полисахаридных жидкостей глушения (УТЖГ) на водной основе с плотностью 1200-1350 кг/м3 путем разработки состава полимерсодержащего сухого концентрата и подбора водно-солевой основы для него.
На первом этапе настоящей исследовательской работы был проведен обзор достижений в области разработки и технологий применения ЖГ на основе полисахаридов в нефтегазодобыче, определение плана экспериментальных исследований второго этапа данной НИР. В результате были сделаны следующие выводы:
1. Фильтруемость является одним из важнейших параметров ЖГ, непосредственно влияющих на эффективность нефтеизвлечения после процесса глушения. Данный параметр тем ниже, чем
ниже проницаемость фильтрационной корки, создаваемой жидкостью глушения;
2. Использование в качестве основы ЖГ воды, а не углеводородов, имеет ряд преимуществ, основными из которых являются доступность, относительная дешевизна, экологичность применения и утилизации отработанной ЖГ;
3. Возможно использование ксантана в качестве загущающего компонента ЖГ на водной основе, так как этот полимер способен придать ей высокие эксплуатационные характеристики.
На втором этапе данной НИР проводились исследования по разработке состава полимерсодержащего сухого концентрата Гелеобразователя ГПГ-3 марки ВГ (ГПГ-3-ВГ) на основе ксантана с неорганическими добавками и подбору водно-солевой основы для него. При этом полученная УТЖГ должна была отвечать следующим требованиям:
• наличие максимальной плотности при сохранении структуры;
• низкая фильтратоотдача (не более 10 мл/30 мин);
• наличие приемлемых реологических свойств:
• пластическая вязкость не менее 8 мПа.с (при 20/80°C);
• устойчивость (отсутствие выпадения осадка, расслоения фаз) во времени при пластовой температуре (стандартная температура исследований - 80°С).
С использованием сухого концентрата ГПГ-3-ВГ с добавлением биоцида «Био-лан» были приготовлены образцы УТЖГ, при этом водно-солевые основы характеризовались максимально возможными концентрациями соответствующих солей и обеспечивали полное растворение ГПГ-3-ВГ в концентрации 25 кг/м3:
1. 25 кг ГПГ-3-ВГ на 1 м3 раствора CaCl2 (PcaQ2 =1,15 г/см3);
2. 25 кг ГПГ-3-ВГ на 1 м3 раствора CaCl2 (Pcaci2 =1,25 г/см3);
3. 25 кг ГПГ-3-ВГ на 1 м3 раствора CaCl2 (pCaCi2 =1,35 г/см3);
4. 25 кг ГПГ-3-ВГ на 1 м3 воды;
5. 25 кг ГПГ-3-ВГ на 1 м3 раствора NaCl (pNaCl =1,15 г/см3);
6. 25 кг ГПГ-3-ВГ на 1 м3 раствора KCl (рш =1,15 г/см3).
После предварительной проверки на устойчивость были определены их вязкостно-плотностные характеристики
ЮБИЛЕИ ЖУРНАЛА
Научно-пр актнчсская конференция
«Роль журнала «Нефтяное хозяйство» в развитии научно-технического прогресса в ТЭК»
12 ноября 2010 года
г. Москва, Отель «Олии Пента Решат»
.......
Генеральный спонсор:
РОСНЕФТЬ
ПрИ ЛОДДерЖКе: Союза нефтегаэопромышленников России, ОАО «Газпром нефть», ОАО «Зарубежнефть», ОАО «Татнефтью, ОАО «РИТЭК», ОАО «Гипротнненнефтегаз», 1 РМНТК «Нефтеотдача», ООО «ЛУКОЙ-Инжиниринг», ИПНГ РАН, ООО «Бапшефть - Геопроект» г НТО НГ ии. акад. И.М.Губкина, РГУ нефти и газа ии, Н.М.Губкина, «Ассонефть»
т щ
Основные темы конференции:
1. Современное состояние российской нефтегазовой промышленности и роль научно-технической информации в развитии отрасли.
2. Нефтегазовые компании и научно-технический прогресс.
3. Роль Союза нефтегазопромьжленников в пропаганде научно-технического прогресса.
4. Роль научно-технической информации в процессе подготовки инженеров-нефтяников,
5. История журнала «Нефтяное хозяйство» (советский период и после перестройки) - назначение, функции, результаты.
Организатор: журнал «Нефтяное хозяйство»
(495) 730-0717,620-9597, bKw.oil-indusirv.ru
■J,
РЕМОНТ сквАжИН
Таблица-1 Свойства образцов жидкости глушения № 1-6
СВОЙСТВА СОСТАВ 1 СОСТАВ 2 СОСТАВ 3 СОСТАВ 4 СОСТАВ 5 СОСТАВ 6
Основа раствор 0^=1,15 г/см3 раствор 0СаШ=1,25 г/см3 раствор 0саа2=1,35 г/см3 вода раствор 0^а=1,15 г/см3 раствор 0КС1=1,15 г/см3
Плотность, г/см3 1,155 1,255 1,355 1,015 1,155 1,155
Пластическая вязкость, мПа*с при 20 °С 9 15 13 5 15 13
Пластическая вязкость, мПа*с при 80 °С 5 12 12 4 12 12
ДНС, дПа при 20/80 °С 86,1/62,1 105,1/81,3 124,5/81,4 81,2/57,3 95,6/66,9 71,7/57,3
СНС 10'/10'', дПа при 20 °С 38,3/52,7 43,1/81,3 33,5/76,6 38,2/52,6 43,0/52,6 33,5/52,6
СНС 10'/10'', дПа при 80 °С 19,1/38,3 28,7/52,6 28,7/38,3 28,7/28,7 28,7/38,2 23,9/23,9
Показания вискозиметра Fann 35 SA при 20/80°С:
600 об/мин 36/23 52/41 52/41 27/20 40/26 35/22
300 об/мин 27/18 37/29 39/29 22/16 30/20 25/17
200 об/мин 21/14 30/23 30/24 19/15 24/17 21/15
100 об/мин 16/11 22/17 21/18 15/12 19/14 16/12
6 об/мин 7/4 8/6 7/6 7/5 8/6 7/5
3 об/мин 5/2 5/4 5/3 6/4 6/4 6/3
Водоотдача, мл/30 мин 7,2 5,4 3,4 18,6 8,2 11,8
и фильтрационные свойства. Полученные результаты приведены в таблице 1. Из таблицы видно, что все составы по значениям пластической вязкости являются технологичными для использования в качестве жидкостей глушения. Наибольшими значениями данного показателя обладают составы УТЖГ на основе растворов солей СаС12 и NaCL. Для предотвращения выпадения утяжелителя жидкостям глушения достаточно иметь значения показателя ДНС в пределах 15-20 дПа. Этому условию удовлетворяли все образцы. Значения показателей СНС 10'/10", характеризующих седиментационную устойчивость жидкости глушения, также являлись приемлемыми.
Все испытанные составы жидкости глушения, за исключением составов № 4 и 6, удовлетворили требованию к фильтратоотдаче (не более 10 мл/30 мин). На рисунке 2 приведено сравнение водоотдачи исследуемых образ-
Рис. 2. Сравнение водоотдачи образцов жидкости глушения №1-6
цов. Образец № 4 (основа - пресная вода) дал наибольшее количество фильтрата ввиду того, что в остальных составах концентрация ионов металлов ^а+, К+, Са++), влияющих на образование ксантаном сшитых пространственных структур, больше. Фильтратоотдача образца № 6 незначительно превысила 10 мл/30 мин, это говорит о том, что ионы калия при взаимодействии с молекулами ксантана не образуют достаточно сильной пространственной структуры. Таким образом, из всех приготовленных и испытанных составов лучшими показателями реологии и фильтратоотдачи обладал состав № 3, в котором в качестве водно-солевой основы выступал раствор СаС12 плотностью 1,35 г/см3. Из составов, приготовленных на основе солей натрия и калия, лучшие значения реологических и фильтрационных характеристик показал состав № 5, приготовленный на основе водного раствора NaCL плотностью 1,15 г/см3.
ВЫВОДЫ:
1. В результате проведенной работы были подобраны состав полимер-содержащего сухого концентрата (ГПГ-3-ВГ) и оптимальная водно-солевая основа для создания УТЖГ - жидкости глушения с высокой плотностью (Ржг=1350 кг/м3).
2. Были получены значения основных параметров данной технологической жидкости при температурах 20°С и 80°С. Низкая фильтратоотдача (минимальное полученное значение 3,4 мл/30 мин) является одним из важных показателей созданной УТЖГ и полностью удовлетворяет заданным требованиям.
3. Экспериментально показана возможность использования ксантановой камеди в качестве структурообразователя, обеспечивающего хорошие реологические свойства.
4. В рамках дальнейших исследований данной темы планируются работы по созданию ПСЖГ, обладающих более высокими значениями плотности (до 1500 кг/м3).
Литература:
1. Нефтепромысловая химия. Реагенты и технологии. Каталог технологий ЗАО «Химеко-ГАНГ», Москва, -2008. - 54 - 56 с.
2. Башкатова С.Т., Казанская А.С., Винокуров В.А. Теоретические основы использования растворов полимеров в нефтегазовой отрасли. - М.: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2005. - 73 с.
3. Ибатуллин Р.Р., Глумов И.Ф. и др. Биополимеры - полисахариды для увеличения нефтеотдачи пластов, «Нефтяное хозяйство» №3, 2006. - 46-47 с.
4. К.А. Соболев. Исследование биополимеров в качестве реагентов для нефтедобычи - диссертация кандидата технических наук, М. РГУНиГ им. И.М. Губкина. 2005. -137 с.
5. Н. Козак. Микробный полисахарид - ксантан/ «Полимеры и деньги», 2006. - №1.
Ключевые слова: капитальный ремонт скважин, глушение скважин, жидкости глушения, полисахаридный гель, биополимеры
Заводская изоляция стальных труб, фасонных деталей и запорной арматуры нефтегазового, коммунального и специального назначения
Трубная
Металлургическая Компания
ПРЕДПРИЯТИЕ
FbJEO
fj
пппс
ООО «Предприятие «Трубопласт»
с 1994 года Ваш надежный партнер на рынке изоляционных покрытий
620026, г. Екатеринбург, ул. Розы Люксембург, д. 51 Тел./факс: (343) 310-33-11, 229-35-11 E-mail: mail@truboplast.ru
www.truboplast.ru Виды продукции:
• наружная и внутренняя изоляция стальных труб наружным диаметром от 57 до 720 мм
• наружная и внутренняя изоляция фасонных деталей и запорной арматуры наружным диаметром от 57 до 530 мм
• поставка комплектов для ремонта повреждений покрытий и наружной изоляции стыка в трассовых условиях
Предприятие имеет свои подъездные пути и отправляет продукцию железной дорогой и автотранспортом. Продукция и ТУ предприятия сертифицированы в ОАО «АК «Транснефть», ОАО «Газпром», ООО «Уралтрансгаз».
