Способ снижения обводненности скважин и ликвидации внутрипластовых и межпластовых перетоков воды
METHOD FOR REDUCING WATER CONTENT OF WELLS AND ELIMINATING INTRA-AND INTER-LAYER WATER FLOWS

Область техники
Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано при нефтедобыче и разработке скважин. В частности, изобретение относится к области эластомерных материалов, а именно, к области эластомерных материалов, применяемых в нефтедобыче для изоляции пластов и снижения обводненности нефтяных и газоконденсатных скважин, ликвидации внутрипластовых и межпластовых перетоков воды.
Уровень техники
В нефтедобывающей промышленности широко используют разбухающие материалы для изоляции пластов и снижения обводненности нефтяных и газоконденсатных скважин, ликвидации внутрипластовых и межпластовых перетоков воды. В качестве таких материалов выступают пакеры, уплотнители и различные составы на основе эластомерных разбухающих материалов.
Принцип действия разбухающих материалов заключается в следующем. Когда разбухающий материал, изготовленный из специального эластомера, соприкасается со скважинными флюидами, происходит его разбухание, вследствие чего закупоривается затрубное пространство в любых открытых или обсаженных стволах, внутрипластовом и межпластовом пространстве. Эластомерные компаунды из которых изготавливаются разбухающие материалы реагируют на скважинные флюиды, буровой раствор, жидкости для закачивания скважин и способны увеличиваться в объеме относительно объема, занимаемого при спуске в скважину.
В настоящее время ведется много разработок в данной области и существует множество запатентованных разработок.
Так, например, патентный источник WO 03008756, дата публикации 30.01.2003, описывает метод, при котором в затрубное пространство скважины помещается цилиндр из резины, который способен набухать при контакте с водой или нефтью, тем самым отсекая приток воды в продуктивные пласты.
В патентном документе RU  2685350 C1, дата публикации 17.04.2019, описана  водонефтенабухающая эластомерная композиция на основе бутадиен-α-метилстирольного каучука и содержащая водонабухающий реагент - натрийкарбоксиметилцеллюлозу в количестве 25,0 - 70,0, а также компоненты, которые являются привычными в технологии РТИ.
Одним из решений в данной области является патент US 9540501 В2, опубликован 10.01.2017, в котором описывается водонабухающая резиновая смесь, состоящая из ненабухающей каучуковой основы и гидрофильного эластомера на основе окиси этилена, содержащего от 0 до 20 мол.% вулканизуемых функциональных групп, а также водонабухающий неэластомерный материал.
Близким к предлагаемому решению с точки зрения технологии по нашему мнению является способ по патенту RU 2465446 C1, опубликован 27.10.2012, который включает закачку вытесняющего агента через нагнетательные и добычу нефти через добывающие скважины до обводнения продукции скважин, приводящего к нерентабельности эксплуатации, последующее закачивание в скважины водоизолирующего состава, содержащего водонабухающие частицы с начальным размером, меньшим проходного сечения обводненных трещин, оставление скважин на время структурирования состава, освоение и ввод скважин в эксплуатацию. При этом в добывающие и нагнетательные скважины в качестве водоизолирующего состава закачивают в несущей жидкости крошку из эластомера на основе резины от дробления профиля набухающего резинового «АКВАСТОП» или полиуретана от дробления герметизирующей прокладки «Плуг», с начальным размером частиц, меньшим проходного сечения обводненных трещин, но большим проходного сечения пор нефтенасыщенных блоков пласта, ограниченно набухающую в воде не менее чем на 300% за 24 ч, с концентрацией в несущей жидкости 3-40 мас.%, несущую жидкость используют на водной основе, загущенную полимером и содержащую деструктор вязкости, обеспечивающий деструкцию и высвобождение воды закачивания в пласт, после закачивания продавливают в пласт пресной водой.
Главным недостатком известного способа является применение несущей жидкости на основе воды, что позволяет набухать составу независимо от того, в какой части пласта он оказался - если закачанная частица закачана в интервал продуктивного пласта, из которого добывается нефть, то при набухании состава, доступ в данный участок пласта будет ограничен, что влечет за собой ограничение добычи нефти со скважины. Кроме того, пресная вода, попадая в нефтесодержащие поры и трещины продуктивного пласта ограничивает движение нефти по пласту, так как проницаемость по воде выше, чем проницаемость по нефти в большинстве нефтесодержащих коллекторов.
Наиболее близким к предлагаемому решению с точки зрения состава используемого материала является водонабухающий резиновый материал, описанный в документе CN 103570985 А, опубликован 12.02.2014, который состоит из 100 м.ч. бутадиен-нитрильного каучука, 30-100 частей суперадсорбирующей смолы, 2-10 ионного удерживающего компонента, 0,5 - 2,5 частей твердого мягчителя, 0,5 - 3,5 м.ч. красителя, 5 - 20 частей пластификатора, 0,1 - 2,6 частей вулканизующего агента и 5 - 45 частей смеси полиэтиленгликоля и дифенилметан диизоционата в молярном соотношении 1:1.
Главным недостатком этого решения является необходимость применения высокотоксичного диизоцианата, недостаточная стойкость к набуханию в среде нефти и нефтепродуктов и высокая чувствительность к минерализации воды.
Перечень чертежей
На фигурах 1-4 представлены графики, показывающие зависимость изменения объема образца от времени выдерживания в среде.
На фиг. 5 схематично показан алгоритм расчета размера частиц резиновой фракции.
Раскрытие изобретения
Целью предлагаемого решения является преодоление недостатков предшествующего уровня техники и разработка состава резиновой смеси, эффективно работающей как в среде водонефтяной эмульсии, так и раздельно в водяной и нефтяной средах, и обеспечивающей избирательное перекрытие притока воды с сохранением доступа нефти из пласта.
Техническим результатом является разработка состава резиновой смеси, обладающего повышенной степенью набухания в высокоминерализованных средах, с сохранением свойств набухания в условиях малых минерализаций и в низкоминерализованных средах, а также обладающей повышенной устойчивостью к действию нефтепродуктов. Степень набухания предлагаемого материала в условиях малых минерализаций и в низкоминерализованных средах является достаточной для ликвидации внутрипластовых и межпластовых перетоков воды, снижения обводненности скважин и обеспечения избирательного перекрытия притока воды с сохранением доступа нефти из пласта.
Для решения указанных недостатков и достижения поставленной технической задачи предлагается технология ликвидации внутрипластовых и межпластовых перетоков воды и снижения обводненности, при которой в качестве тампонирующего вещества используется мелкодисперсная водонабухающая резиновая фракция (измельченный в крошку водонабухающий эластомер), а в качестве транспортирующей жидкости используется дизельное топливо. Размер помола применяемых частиц составляет 60-70% от среднего размера трещины в пласте для проведения тампонирования. После проведения закачивания тампонирующей смеси в пласт под давлением скважина закрывается на ожидание разбухания водонабухающей фракции, время которого составляет от 24 до 48 часов в зависимости от химического состава пластовой воды.
При этом предлагается использовать резиновую смесь, содержащую в качестве полимерной основы гидрированный бутадиен-нитрильный каучук (ГБНКС), полимерные спирты (спирт) (полиаллиловый, поливиниловый, поли-1-гидроксиметилэтилен, поли-3-фенил-2-пропен-1-ол и т.д.) в количестве 10,00-30,00 масс.ч. на 100 масс.ч. ГБНКС и пространственно-сшитые поликонденсационные сополимеры (сополимер) многоатомных спиртов(а) и акриловой кислоты в количестве 25,00-100,00 масс.ч. на 100 масс.ч. ГБНКС. Дополнительно предлагаемая смесь может содержать функциональные и обычные технологические добавки, такие как, мягчители, наполнители, диспергаторы, красители, противостарители, а  также содержит вулканизующую систему.
Указанные улучшенные свойства положительно сказываются на безопасности при спуске оборудования, поскольку резиновая фракция набухает относительно медленно, что видно из графиков 1-3. Кроме того, у предлагаемой резиновой смеси значительно улучшены свойства набухания в высокоминерализованных средах, что обеспечивает работоспособность и в таких средах, а также резина устойчива к действию нефтепродуктов. Отсюда вытекает еще один технический результат - универсальность, поскольку предлагаемая резиновая фракция может быть использована в любых типах скважин, пластах или любых системах, где требуется набухание и устойчивость.
Размер помола применяемых частиц подбирается в соответствии с размером трещин и пор в нефтесодержащем продуктивном пласте - помол должен быть меньше проходного сечения имеющихся изолируемых трещин, но больше размера пор пласта, содержащих нефть. Т.к. трещина в упрощенном представлении имеет форму равностороннего треугольника, то размер помола выбирается исходя из положения о необходимости блокировки 2/3 треугольника, таким образом рекомендуется диаметр частиц 60-70% от размеров трещины (фиг. 5).
Применение дизельного топлива в качестве транспортирующей жидкости обусловлено сохранением коллекторских свойств пласта - она не снижает продуктивности скважины, в тоже время медленнее реагирует с закачиваемым водонабухающим составом и позволяет успешнее завершить операцию по снижению обводненности на скважине до того момента, как заказчиваемый мелкодисперсный эластомер начал набухание.
После проведения закачивания тампонирующей смеси в пласт под давлением скважина закрывается на ожидание разбухания водонабухающей фракции, время которого составляет от 24 до 48 часов в зависимости от химического состава пластовой воды. Избирательное перекрытие притока воды с сохранением доступа нефти из пласта достигается за счет повышенной проницаемости пласта по воде, таким образом, оттесняя воду из пор вглубь пластового перетока и перекрывая поступления воды к нефтяной оторочке.
Количественное содержание функциональных добавок зависит от количественного содержания основных компонентов и алгоритм подбора указанных количеств является операцией, хорошо известной специалистам в данной области техники. Выбор подходящей вулканизующей системы также хорошо знаком специалистам. Дополнительные ингредиенты подбираются исходя из специфических условий эксплуатации и изготовления резиновой фракции и не влияют на сущность изобретения.
Выбор соотношения основных полимерных компонентов зависит от предполагаемых условий эксплуатации резиновой фракции и могут варьироваться в заданных пределах для достижения требуемых свойств.
Например, количество полимерного спирта (спиртов) может составлять 11,00, 13,00, 15,00, 20,00, 25,00  масс.ч., количество пространственно-сшитых поликонденсационных сополимеров (сополимера) многоатомных спиртов(а) и акриловой кислоты может составлять 25,00, 30,00, 40,00, 50,00, 70,00, 90,00 масс.ч. на 100 масс.ч. ГБНКС. Однако количественное соотношение компонентов не ограничено только приведенными значениями и может включать любые промежуточные значения, входящие в первоначально указанные интервалы.
При этом выбор количественного содержания полимерного спирта и пространственно-сшитого поликонденсационного сополимера многоатомных спиртов и акриловой кислоты обусловлен достижением оптимальных физико-механических свойств резиновой смеси. Так, при содержании в концентрациях выше 30 и 100 масс.ч., соответственно, резко падают прочностные характеристики резин и выдерживаемое давление аналогично резко снижается до уровня, неприемлемого в данном применении. При концентрации полимеров ниже минимально допустимого уровня (10 и 25 масс.ч.) эффект от введения полимеров не является удовлетворительным и мало заметен.
Гидрированный бутадиен-нитрильный каучук (ГБНКС), т.е. гидрированный (сшитый перекисью), относится к семейству нитрильных каучуков и, как следует из названия, получается путем частичной или полной гидрогенизации (гидрирования) бутадиен-нитрильного каучука (БНК). Получаемый в результате каучук заметно превосходит БНК по стойкости и механически свойствам, сохраняя при этом относительно низкую стоимость.
Свойства ГБНКС зависят от содержания акрилонитрила и остаточных  двойных связей: при увеличении содержания акрилонитрила увеличивается устойчивость к температуре и нефтепродуктам, но ухудшаются свойства при низких температурах. ГБНКС проявляет устойчивость к низким и лучшую устойчивость к высоким температурам, и, в зависимости от марки, имеет рабочий диапазон от -45 до +165°C. ГБНКС проявляет хорошую устойчивость к озону, погодным воздействиям и старению, а также устойчив к горячей воде и пару до 150°C. ГБНКС проявляет хорошее сопротивление к истиранию. ГБНКС устойчив к воздействию алифатических углеводородов (пропан, бутан, нефть, дизельное топливо, мазут), растительных и минеральных масел и консистентных смазок, негорючих гидравлических жидкостей (HFA, HFB и HFC). Также устойчив к воздействию разбавленных кислот, щелочей и растворов солей при средних температурах. ГБНКС проявляет некоторую устойчивость к топливам с высоким (до 40%) содержанием ароматических углеводородов. Отдельные марки ГБНКС с высоким содержанием акрилонитрила проявляют устойчивость также к биотопливам и кислородосодержащим топливам.
Наиболее известными, часто используемыми и доступными полимерными спиртами является поливиниловый спирт и полиаллиловый спирт.
2
4
x
2
Поливиниловый спирт (CHO) - искусственный, водорастворимый, термопластичный полимер. Синтез ПВС осуществляется реакцией щелочного/кислотного гидролиза или алкоголиза сложных поливиниловых эфиров. Основным сырьём для получения ПВС служит поливинилацетат (ПВА). В отличие от большинства полимеров на основе виниловых мономеров, ПВС не может быть получен непосредственно из соответствующего мономера - винилового спирта (ВС). Поливиниловый спирт является превосходным эмульгирующим, адгезионным и пленкообразующим полимером. Он обладает высокой прочностью на разрыв и гибкостью. Эти свойства зависят от влажности воздуха, так как полимер адсорбирует влагу. Вода действует на полимер как пластификатор. При большой влажности у ПВС уменьшается прочность на разрыв, но увеличивается эластичность. Температура плавления находится в области 230°C (в среде азота), а температура стеклования 85°C для полностью гидролизованной формы. На воздухе при 220°C ПВС необратимо разлагается с выделением СO, CO, уксусной кислоты и изменением цвета полимера с белого на темно-коричневый. Температура стеклования и температура плавления зависят от молекулярной массы полимера и его тактичности. Поливиниловый спирт стабилен в отношении масел, жиров и органических растворителей.
2
2
х
Полиаллиловый спирт имеет структурную химическую формулу (-СН-СН(СНОН)-). Полиаллиловый спирт можно получить также как и поливиниловый спирт путем полимерно-аналогичного превращения сложных полиаллиловых эфиров. Полиаллиловый спирт обладает растворимостью в воде. Полиаллиловый спирт, так же как и поливиниловый спирт, легко вступает в реакцию с альдегидами, давая полиацетали. Как и поливиниловый спирт адсорбирует влагу. В целом свойства его достаточно изучены и не требуют подробного описания.
Поливиниловый спирт и полиаллиловый спирт приведены в качестве примеров используемых полимерных спиртов и как самые доступные на рынке, однако эти примеры не ограничивают возможность использования других представителей полимерных спиртов, например, таких как поли-1-гидроксиметилэтилен, поли-3-фенил-2-пропен-1-ол и подобных спиртов. Возможно использовать один полимерный спирт или смесь нескольких спиртов.
Пространственно-сшитые поликонденсационные сополимеры многоатомных спиртов и акриловой кислоты также не являются новыми соединениями. Данные соединения хорошо известны и производятся в промышленных объемах, например, по патентам JP 2004018389 и JP 2008184434. Получать указанные соединения можно полимеризацией акриловой кислоты с многоатомными спиртами (например, эритролом, пропиленгликолем, глицерином, пентаэритритом, бутандиолом и т.п.) в присутствии щелочных катализаторов. Возможно использование нескольких сополимеров, а также сополимеров с одним или несколькими многоатомными спиртами. Показатели таких вариантов резиновых смесей не падают и варьируются в приемлемых приделах.
Используемые в изобретении функциональные добавки, такие, как мягчители, диспергаторы, наполнители, ускорители, вулканизующие системы, противостарители, красители и т.п. являются хорошо знакомыми для специалистов и не требуют специального раскрытия. Подходящие для использования добавки раскрыты, в частности, в книге «Функциональные наполнители для пластмасс» под ред. М. Ксантос, 2010 г.
Что касается механизма достижения технического результата, то этот вопрос до конца нами не исследован, однако повышенная набухаемость предложенной резиновой смеси скорее всего связана с природой самих полимеров, т.к. в основной цепи каждого полимера содержится достаточное количество полярных атомов (например, кислород), которые могут образовывать водородные связи, тем самым вызывая набухание. Также, предположительно, имеет место синергизм от совместного использования полимерных спиртов и пространственно-сшитых поликонденсационных сополимеров многоатомных спиртов и акриловой кислоты, выражающийся в повышенной набухаемости при совместном применении этих двух ингредиентов. Данный эффект скорей всего связан с образованием перколяционных структур поливиниловый спирт-сополимер за счет Ван-дер-Ваальсовых сил, водородных и химических связей. Стабильность всех используемых полимеров в отношении масел, жиров и органических растворителей, позволяет увеличить стойкость резинового порошка в нефтесодержащих средах.
Также необходимо отметить, что снижение обводненности скважин и ликвидация внутрипластовых и межпластовых перетоков воды в нефтедобыче не является единственной областью использования предложенной резиновой смеси и она может быть использована в любой области, требующей использование материалов, обладающих водонабухающими свойствами. В частности, данное изобретение может применяться для создания пакеров, для создания гидроизолирующих материалов в строительстве (между плитами домов), систем защиты труб от протеков, уплотнительные резины для бассейнов, для ремонта водонагнетательного оборудования и т.п.
Осуществление изобретения
Для подтверждения возможности осуществления изобретения и достижения технического результата был проведен ряд исследований и экспериментов. Результаты экспериментов представлены ниже.
Резиновую смесь изготавливали на вальцах лабораторных ЛБ 320 150/150 (производства АО "Завода имени Красина") с общей загрузкой 1200 г., согласно приведенной ниже рецептуре.
В качестве компонентов резиновой смеси использовались, в частности, гидрированный бутадиен-нитрильный каучук (Therban фирмы Arlanxeo), окись цинка (ГОСТ 208-84) - активатор ускорителей, сера (Polsinex фирмы Grupa Azoty) - вулканизующий агент, стеариновая кислота (ГОСТ 6484-84) - активатор ускорителей вулканизации, диспергатор наполнителей, мягчитель (пластификатор), дибензтиазолдисульфид (тиазол 2МБС) - ускоритель вулканизации (ГОСТ 7087-75), триоктилтримеллитат (пластификатор ТОТМ), поливиниловый спирт (ГОСТ 10779-78), органический пероксид - вулканизатор.
В качестве пространственно-сшитого поликонденсационного сополимера многоатомных спиртов и акриловой кислоты использовался сополимер пропиленгликоля, эритрола и акриловой кислоты c молекулярной массой 30000, полимеризованный в присутствии щелочных катализаторов, производимый NOF Corporation (Япония) под маркой MODIPER G SERIES.
Соотношения компонентов предлагаемого решения и прототипа приведены в таблице 1:
Таблица 1
Составы резиновых смесей
Предлагаемое решение
Прототип
Бутадиен-нитрильный каучук
-
100,00
Гидрированный бутадиен-нитрильный каучук
100,00
-
Сера
0,20
0,50
Дибензотиазилдисульфид
1,00
2,00
Гидрофильная смола
-
80,00
Мягчитель TOTM
3,00
5,00
Окись цинка
5,00
5,00
Стеариновая кислота
5,00
2,00
Поливиниловый спирт
20,00
-
Технический углерод Н 220
-
40,00
Смесь дифенилметан диизоционата и полиэтиленгликоля
-
40,00
Сополимер многоатомных спиртов и акриловой кислоты
40,00
-
Органический пероксид
7,00
-
Из изготовленных резиновых смесей на вулканизационном прессе LP 600kN (ф. Montech) свулканизованы образцы. После вылежки в 24 часа образцы испытаны по ГОСТ ISO 1817-2016 «Резина и термоэластопласты. Определение стойкости к воздействию жидкостей». Условия проводимых испытаний приведены в таблице 2.
Таблица 2
<b>Минерализация, г/л</b>
<b>Температура, </b>°<b>С</b>
Условия 1 (Фиг.1)
5,00
60,00
Условия 2 (Фиг.2)
30,00
60,00
Условия 3 (Фиг.3)
100,00
60,00
Результаты испытаний приведены на фиг. 1-3
Как видно из приведенных графиков, предлагаемое решение превосходит прототип по степени набухания в высокоминерализованных средах и действует идентично в условиях малых минерализаций. Предлагаемое решение несколько уступает прототипу в низкоминерализованных средах, но степень набухания предлагаемого решения является достаточной для перекрытия ствола скважины и удержания перепада давлений.
Дополнительно проведены испытания для определения стойкости к действию нефтепродуктов. В качестве модельной жидкости применялось дизельное топливо (плотность 820 г/мл, температура застывания -7°С).
Результаты проведенных испытаний приведены на фиг. 4.
Из представленных данных видно, что предлагаемое решение обладает бόльшей устойчивостью к действию нефтепродуктов, чем изделия, выполненные из резиновой смеси по прототипу.
С целью оценки влияния содержания активных компонентов дополнительно проведены дополнительные испытания, изготовлены резиновые смеси по рецептуре, приведенной в таблице 1 с изменением количества активных компонентов. Условия проводимых испытаний приведены в таблице 3.
Таблица 3
Содержание, phr
1 вариант
2 вариант
3 вариант
4 вариант
Поливиниловый спирт
30,0
25,0
10,0
0,0
Сополимер многоатомных спиртов и акриловой кислоты
10,0
50,0
75,0
100,0
Образцы изготавливались по процедуре, описанной выше.
В качестве индикаторного выбран показатель «Изменение массы через 500 ч воздействия жидкости». В качестве модельных жидкостей использовались вода с минерализацией 30 г/л, 100 г/л и дизельное топливо аналогичное испытанию фиг. 4. Результаты проводимых испытаний приведены в таблице 4.
Таблица 4
Изменение массы через 500 ч, %
1 вариант
2 вариант
3 вариант
4 вариант
Вода, 30 г/л
47
264
310
270
Вода, 100 г/л
12
243
297
48
Дизельное топливо
11
0,2
0,1
15
Как видно из данных, приведенных в таблице 4, предложенное решение показывает наилучший результат с точки зрения стойкости к воздействию нефтепродуктов и невосприимчивости к изменению минерализации, а также подтверждает, что заявленное соотношение компонентов является оптимальным. Это связано, скорей всего с возникновением перколяционных структур поливиниловый спирт-сополимер за счет Ван-дер-Ваальсовых, водородных и химических связей.
Дополнительно была предпринята попытка изготовления резиновых смесей, содержащих  поликонденсационных сополимеры многоатомных спиртов и акриловой кислоты линейной структуры (пространственно- несшитые). Данные сополимеры представляют собой высокополярные жидкости. Судя по всему, полярность данных жидкостей намного превышает полярность базового каучука, в связи с чем изготовление резиновой смеси, содержащей эти два компонента, невозможно с технологической точки зрения.
Были проведены аналогичные испытания при других количественных соотношениях компонентов, которые показали улучшение свойств по сравнению с прототипом во всем заявленном интервале значений.
Далее был произведен помол резиновой смеси до заданных размеров, исходя из принципов, изображенных на фиг. 5.
Были проведены промышленные испытания на действующей скважине. В качестве тампонирующего вещества использовалась измельченная водонабухающая резиновая фракция указанного выше химического состава, а в качестве транспортирующей жидкости использовано дизельное топливо. Состав закачали в пласт под давлением. После проведения закачивания тампонирующей смеси в пласт скважина закрылась на ожидание разбухания водонабухающей фракции, время которого в данной скважине составило примерно 37 часов. Степень минерализации среды в скважине не устанавливалась, поскольку уже была подтверждена эффективность предложенной смеси в любых условиях минерализации.
Исследования скважины показали, что продуктивность ее не была снижена. Вместе с тем была снижена обводненность за счет  избирательного перекрытия притока воды с сохранением доступа нефти. Вода была оттеснена из пор вглубь пластового перетока, перекрыв поступление воды к нефтяной оторочке.