ВЯЗКОУПРУГАЯ КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В ТЕХНОЛОГИЯХ ДОБЫЧИ НЕФТИ И ГАЗА
VISCOELASTIC COMPOSITION FOR USE IN OIL AND GAS PRODUCTION TECHNIQUES

Вязкоупругая композиция относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к загущенным составам на водной основе для проведения технологических операций, таких как гидравлический разрыв пласта, направленные кислотные обработки, ограничение водопритоков, глушение скважин и др.
Распространенные в применении технологические жидкости, например, для гидравлического разрыва пласта, главным образом представляют собой водные растворы полимеров, таких как гуаровая смола, гидроксипропилгуар, биополимеры и др. При проведении операций гидроразрыва такие жидкости на основе полимеров подвергаются разрушению под действием различных реагентов-деструкторов преимущественно перекисного типа.
Однако наличие в составе полимерной жидкости разрыва деструкторов перекисного типа не исключает того, что в обрабатываемом пласте сохранятся остатки неразрушенного полимерного состава, что в свою очередь приводит к ухудшению фильтрационно-емкостных свойств коллектора и образующихся трещин.
Хорошо зарекомендовали себя композиции на основе поверхностно-активных веществ (ПАВ) для проведения гидравлического разрыва пласта, которые минимизируют проблемы, возникающие при использовании полимерных гелей. Известна композиция для проведения гидравлического разрыва пласта, которая включает вязкоупругое поверхностно-активное вещество на основе четвертичных аминов с растворителем, усилитель вязкости - салицилат натрия, органический деструктор - карбамид или тиомочевину и воду. Загущающая композиция представляет собой следующее соотношение компонентов, % масс. [1]:
ПАВ (четвертичные амины)
35,0-50,0
усилитель вязкости (салицилат натрия)
3,0-9,5
деструктор (карбамид или тиомочевина)
0,3-0,6
растворитель ПАВ
- остальное,
причем массовое соотношение указанной композиции и воды в вязкоупругой технологической жидкости составляет 1:(1,6÷30), соответственно.
Недостатками представленного состава на основе поверхностно-активных веществ является то, что в композиции присутствуют добавки, которые могут привести к удорожанию продукта, например, салицилат натрия, а также используются высокие концентрации ПАВ (3,2-38,5% масс.).
Наиболее близким к предполагаемому изобретению по технической сущности является состав для гидравлического разрыва пласта, содержащий поверхностно-активное вещество, представляющее собой цвиттер-ионное/амфолитное ПАВ, такие как дигидроксилалкилглицинаты, алкиламфоацетат или пропионат, алкилбетаин, алкиламидопропилбетаин и алкиламино моно- или дипропионаты, полученные из некоторых восков, жиров и масел. ПАВ используют в комбинации с неорганической водорастворимой солью или органической добавкой, такой как фталевая кислота, салициловая кислота или их соли, при следующем соотношении компонентов, % масс. [2]:
цвиттер-ионное ПАВ
0,5-10,0
водорастворимые неорганические соли
одно-, двух- и трехвалентных металлов,
или их смеси
0,1-30,0
фталевая или салициловая кислоты и их соли
0,1-10,0
вода
- остальное.
Недостатками указанного состава на основе поверхностно-активных веществ является то, что необходимыми реологическими свойствами данная композиция обладает лишь при высоких концентрациях ПАВ, а также тем, что в состав композиций входят добавки дорогостоящих ароматических дикарбоновых кислот.
Изобретение направлено на создание вязкоупругой композиции, которая включает в себя цвиттер-ионное (амфолитное) поверхностно-активное вещество, водорастворимую соль трехвалентного металла, и может содержать неорганическую соль одновалентного металла и/или двухвалентного металла или их сочетание, пресную воду, и дополнительно содержит структурообразователь - алканоламин, что позволяет получать более вязкие системы при меньшей концентрации ПАВ.
Признаками изобретения «Состав вязкоупругой композиции для применения в технологиях добычи нефти и газа» являются:
1. Вязкоупругая композиция, включающая поверхностно-активное вещество, водорастворимую неорганическую соль одновалентного или двухвалентного металла, или их смесь, водорастворимую соль трехвалентного металла и воду.
2. В качестве поверхностно-активного вещества используется цвиттер-ионное (амфолитное) ПАВ «Нефтенол ВУПАВ», состоящее преимущественно из олеиламидопропилбетаина.
3. В качестве водорастворимой неорганической соли одновалентного металла выступают хлорид натрия или хлорид калия, или нитрат натрия, или их смесь.
4. В качестве водорастворимой неорганической соли двухвалентного металла выступают хлорид кальция или хлорид магния, или нитрат кальция, или их смесь.
5. В качестве водорастворимой соли трехвалентного металла используются неорганические соли алюминия или железа, такие как хлорид алюминия или хлорид железа.
6. В качестве водорастворимой соли трехвалентного металла используется ацетат хрома.
7. В качестве структурообразователя используется алканоламин, а именно: моноэтаноламин или диэтаноламин, или триэтаноламин, или диметилэтаноламин, или их смесь.
Признаки 1-5 являются общими с прототипом, а признаки 6-7 - существенными отличительными признаками изобретения.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предлагается вязкоупругая композиция, включающая цвиттер-ионное поверхностно-активное вещество, неорганическую водорастворимую соль или сочетание неорганических водорастворимых солей и воду, которая дополнительно содержит алканоламин и может содержать органическую соль трехвалентного металла, в качестве которой используется ацетат хрома, а в качестве неорганических водорастворимых солей используются соли трехвалентных металлов: хлорид алюминия (III) или хлорид железа (III), и могут использоваться соли одновалентных металлов, такие как хлорид натрия или хлорид калия, или нитрат натрия, и/или двухвалентных металлов - хлорид кальция или хлорид магния, или нитрат кальция, или смесь солей одновалентных и/или двухвалентных металлов, а в качестве алканоламина используются моноэтаноламин или диэтаноламин, или триэтаноламин, или диметилэтаноламин, или их смесь при следующем соотношении компонентов, % масс.:
цвиттер-ионное поверхностно-активное вещество
«Нефтенол ВУПАВ»
1,0-5,0
хлорид алюминия (III), или хлорид железа (III),
или ацетат хрома (III)
0,01-0,5
хлорид натрия, или хлорид калия, или нитрат натрия,
или их смесь
0,0-20,0
хлорид кальция, или хлорид магния, или нитрат кальция,
или их смесь
0,0-40,0
моноэтаноламин, или диэтаноламин,
или триэтаноламин, или диметилэтаноламин, или их смесь
0,01-0,5
пресная вода
- остальное.
Для исследований использовались:
1. «Нефтенол ВУПАВ» - представляет собой водно-спиртовой раствор амфолитных поверхностно-активных веществ, подвижная жидкость от желтого до коричневого цвета. Выпускается по ТУ 2483-209-54651030-2016.
2. Хлорид натрия - кристаллический порошок белого цвета, содержание основного вещества не менее 99,8% масс. Выпускается по ГОСТ 4233-77.
3. Хлорид калия - белое кристаллическое вещество без запаха. Выпускается по ГОСТ 4568-95.
4. Нитрат натрия - белый кристаллический порошок с сероватым или желтоватым оттенком, содержащий не менее 99,5-99,8% масс. основного вещества. Выпускается по ГОСТ 828-77.
5. Хлорид кальция - порошок или гранулы белого цвета, содержание основного вещества не менее 90-96,5% масс. Выпускается по ГОСТ 450-77.
6. Хлорид магния - порошок, гранулы или чешуйки от белого до светло серого цвета с оттенками от желтоватого до светло-коричневого, содержание основного вещества не менее 97% масс. Выпускается по ГОСТ Р 55067-2012.
7. Нитрат кальция - бесцветный кристаллический порошок. 4-водный азотнокислый кальций выпускается по ГОСТ 4142-77 с содержанием основного вещества не менее 98,0-99,0% масс.
8. Хлорид алюминия (III) - представляет собой кристаллы от белого до желтого цвета 6-водного хлористого алюминия. 6-водный хлористый алюминий выпускается по ГОСТ 3759-75 с содержанием основного вещества не менее 96,0-97,0%) масс.
9. Хлорид железа (III) - представляет собой мягкую кристаллическую массу или куски желто-бурого цвета 6-водного хлорида железа (III). 6-водный хлорид железа (III) выпускается по ГОСТ 4147-74.
10. Ацетат хрома (III) - представляет собой вязкую жидкость от зеленого до темно-зеленого цвета, содержащей не менее 30,0% масс. основного вещества, выпускается по ТУ 0254-031-17197708-96.
11. Моноэтаноламин - бесцветная или желтоватого цвета прозрачная жидкость без механических включений, содержащая не менее 97,0% масс. основного вещества. Выпускается по ТУ 2423-002-78722668-2010.
12. Диэтаноламин - вязкая прозрачная жидкость от бесцветного до желтого цвета без механических включений, содержащая не менее 97,0% масс. основного вещества. Выпускается по ТУ 2423-003-78722668-2010.
13. Триэтаноламин - бесцветная вязкая гигроскопичная жидкость со специфическим аминным запахом, содержащая не менее 90,0% масс. основного вещества. Выпускается по ТУ 2423-168-00203335-2007.
14. Диметилэтаноламин - прозрачная маслянистая жидкость от бесцветного до желтого цвета без механических включений, содержащая не менее 99,3% масс. основного вещества, выпускается по ТУ 2423-004-78722668-2010.
15. Пресная вода.
Примеры приготовления составов вязкоупругой композиции на основе поверхностно-активных веществ
Пример 1
В стеклянный стакан на 250 мл помещают 98,45 г пресной воды. Затем при перемешивании на лопастной мешалке (450-500 об/мин) в стакан с водой последовательно вводят 0,5 г хлорида алюминия (III), 0,05 г моноэтаноламина и 1,0 г «Нефтенола ВУПАВ».
После перемешивания в течение 10-15 минут при скорости вращения лопастной мешалки 300-350 об/мин состав выдерживается в статических условиях 15-20 минут для удаления основной массы пузырьков в объеме. В итоге получают состав со следующим содержанием компонентов, % масс.: «Нефтенола ВУПАВ» - 1,0; хлорид алюминия (III) - 0,5; моноэтаноламин - 0,05; пресная вода - остальное.
Пример 2
В стеклянный стакан на 250 мл помещают 57,965 г пресной воды. Затем при перемешивании на лопастной мешалке (450-500 об/мин) в стакан с водой последовательно вводят 40,0 г хлорида кальция, 0,015 г хлорида алюминия (III), 0,02 г диэтаноламина и 2,0 г «Нефтенола ВУПАВ».
После перемешивания в течение 10-15 минут при скорости вращения лопастной мешалки 300-350 об/мин состав выдерживается в статических условиях 15-20 минут для удаления основной массы пузырьков в объеме. В итоге получают состав со следующим содержанием компонентов, % масс.: «Нефтенола ВУПАВ» - 2,0; хлорид кальция - 40,0; хлорид алюминия (III) - 0,015; диэтаноламин - 0,02; пресная вода - остальное.
Пример 3
В стеклянный стакан на 250 мл помещают 94,48 г пресной воды. Затем при перемешивании на лопастной мешалке (450-500 об/мин) в стакан с водой последовательно вводят 1,0 г хлорида калия, 1,0 г хлорида натрия, 0,25 г хлорида кальция, 0,25 г хлорида магния, 0,01 г хлорида железа (III), 0,005 г моноэтаноламина 0,005 г диэтаноламина и 3,0 г «Нефтенола ВУПАВ».
После перемешивания в течение 10-15 минут при скорости вращения лопастной мешалки 300-350 об/мин состав выдерживается в статических условиях 15-20 минут для удаления основной массы пузырьков в объеме. В итоге получают состав со следующим содержанием компонентов, % масс.: «Нефтенола ВУПАВ» - 3,0; хлорид калия - 1,0; хлорид натрия - 1,0; хлорид кальция - 0,25; хлорид магния - 0,25; хлорид железа (III) - 0,01; моноэтаноламин - 0,005; диэтаноламин - 0,005; пресная вода - остальное.
Пример 4
В стеклянный стакан на 250 мл помещают 96,94 г пресной воды. Затем при перемешивании на лопастной мешалке (450-500 об/мин) в стакан с водой последовательно вводят 0,03 г хлорида железа (III), 0,03 г диметилэтаноламина и 3,0 г «Нефтенола ВУПАВ».
После перемешивания в течение 10-15 минут при скорости вращения лопастной мешалки 300-350 об/мин состав выдерживается в статических условиях 15-20 минут для удаления основной массы пузырьков в объеме. В итоге получают состав со следующим содержанием компонентов, % масс.: «Нефтенола ВУПАВ» - 3,0; хлорид железа (III) - 0,03; диметилэтаноламин - 0,03; пресная вода - остальное.
Пример 5
В стеклянный стакан на 250 мл помещают 75,98 г пресной воды. Затем при перемешивании на лопастной мешалке (450-500 об/мин) в стакан с водой последовательно вводят 20,0 г хлорида натрия, 0,01 г хлорида алюминия (III), 0,01 г моноэтаноламина и 4,0 г «Нефтенола ВУПАВ».
После перемешивания в течение 10-15 минут при скорости вращения лопастной мешалки 300-350 об/мин состав выдерживается в статических условиях 15-20 минут для удаления основной массы пузырьков в объеме. В итоге получают состав со следующим содержанием компонентов, % масс.: «Нефтенола ВУПАВ» - 4,0; хлорид натрия - 20,0; хлорид алюминия (III) - 0,01; моноэтаноламин - 0,01; пресная вода - остальное.
Пример 6
В стеклянный стакан на 250 мл помещают 53,50 г пресной воды. Затем при перемешивании на лопастной мешалке (450-500 об/мин) в стакан с водой последовательно вводят 0,5 г нитрата натрия, 40,0 г нитрата кальция, 0,5 г ацетата хрома, 0,2 г моноэтаноламина, 0,2 г диэтаноламина, 0,1 г триэтаноламина и 5,0 г «Нефтенола ВУПАВ».
После перемешивания в течение 10-15 минут при скорости вращения лопастной мешалки 300-350 об/мин состав выдерживается в статических условиях 15-20 минут для удаления основной массы пузырьков в объеме. В итоге получают состав со следующим содержанием компонентов, % масс.: «Нефтенола ВУПАВ» - 5,0; нитрат натрия - 0,5; нитрат кальция - 40,0; ацетат хрома - 0,5; моноэтаноламин - 0,2; диэтаноламин - 0,2; триэтаноламин - 0,1; пресная вода - остальное.
Пример 7 (прототип)
В стеклянный стакан на 250 мл помещают 91,5 г пресной воды. Затем при перемешивании на лопастной мешалке (450-500 об/мин) в стакан с водой последовательно вводятся 3,0 г хлорида калия, 0,5 г фталевой кислоты и 5,0 г олеиламидопропилбетаина.
После перемешивания в течение 10-15 минут при скорости вращения лопастной мешалки 300-350 об/мин состав выдерживается в статических условиях 15-20 минут для удаления основной массы пузырьков в объеме. В итоге получали состав со следующим содержанием ингредиентов, % масс.: олеиламидопропилбетаин - 5,0; хлорид калия - 3,0; фталевая кислота - 0,5; пресная вода - остальное.
Составы вязкоупругой композиции на основе поверхностно-активных веществ представлены в таблице 1.
-1
В лабораторных условиях определяли эффективную вязкость (при скорости сдвига - 100 с) составов, представленных в таблице 1.
Эффективную вязкость определяли на вискозиметре ротационного типа «Rheotest» с использованием цилиндрической измерительной системы согласно инструкции к прибору.
Как следует из таблиц 1-2, предлагаемая композиция при одинаковом содержании ПАВ (состав №6), обладает гораздо более высокой вязкостью (более чем в 1,85 раз) по сравнению с прототипом и сохраняет высокую вязкость при значительно более низком содержании ПАВ (1,0-4,0%, составы №№1-5), чем у прототипа, что значительно сократит расход реагентов при проведении технологических операций на скважинах.
Источники информации, принятые во внимание
1. Pat. 5979555 US, Е21В 43/26. Surfactants for hydraulic fractoring compositions / James F. Gadberry, Michael D. Hoey (Amhem, Netherlands, Akzo Nobel NV). 02.12.1997 - аналог.
2. Патент РФ №2198906, C09K 7/02 (2000.01). Приоритет от 10.06.1997. Опубликован 20.02.2003. Бюл. №5 - прототип.