ГРАНУЛЫ МАТЕРИАЛА, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ ВЫНОСА ПРОППАНТА ИЗ ТРЕЩИНЫ ГИДРОРАЗРЫВА
GRANULES OF MATERIAL USED TO REDUCE PROPPANT CARRY-AWAY FROM HYDRAULIC RUPTURE CRACK

Изобретение относится к нефтегазовой области, в частности к способам воздействия на продуктивность пласта в процессе нефтедобычи, а также борьбы с выносом проппанта.
Серьезной проблемой нефтедобычи является вынос проппанта из трещины в скважину после проведения гидроразрыва пласта во время первичной очистки, а в ряде случаев даже после полного освоения скважины. Согласно данным литературы в скважину может быть вынесено до 20% проппанта, что приводит к ряду негативных последствий, среди которых можно выделить следующие. В низкодебетных скважинах вынесенный из трещины проппант осаждается в обсадной колонне, что требует периодичных промывок и приводит к удорожанию ремонтных операций. Другим следствием выноса незакрепленного проппанта или твердых частиц породы является преждевременный износ и выход из строя электроцентробежных погружных наносов. Также вынос проппанта из трещины приводит к сокращению добычи нефти или газа вследствие существенной потери приствольной проводимости из-за уменьшения толщины трещины или перекрывания продуктивной зоны.
В настоящее время известен ряд способов, позволяющих значительно уменьшить вынос проппанта или другого расклинивающего наполнителя из трещины.
Наиболее распространенный подход основан на применении проппанта с затвердевающим смоляным покрытием (US, патент 5218038), который закачивают в трещину в конце обработки. Однако применение этих проппантов имеет ряд существенных ограничений, вызванных побочными химическими реакциями смоляного покрытия с жидкостью гидроразрыва пласта. С одной стороны, такое взаимодействие приводит к частичной деградации и нарушению целостности покрытия, снижая прочность контактов между частицами проппанта, и, соответственно, снижая прочность упаковки проппанта. С другой стороны, взаимодействие между компонентами смоляного покрытия и компонентами жидкости гидроразрыва приводит к неконтролируемому изменению реологических характеристик последней, что также снижает эффективность гидроразрыва. Перечисленные выше факторы, а также периодические циклические нагрузки, связанные с закрытием и освоением скважины, и длительный период закрытия скважины могут значительно снизить прочность проппантной набивки.
Для закрепления расклинивающего наполнителя и ограничения его выноса может быть использована смесь проппанта с адгезивными полимерными материалами (US, патент 5582249). Адгезивные соединения вступают в механический контакт с частицами расклинивающего наполнителя, обволакивают и покрывают их тонким липким слоем. Это приводит к прилипанию частиц друг к другу, а также к песку или раздробленным фрагментам расклинивающего наполнителя, что приводит к значительному или полному прекращению выноса твердых частиц из трещины. Характерной особенностью адгезивных покрытий соединений является способность сохранять липкость в течение длительного времени даже в условиях повышенных скважинных температурах, не приводя к их сшиванию или отверждению.
Адгезивные материалы могут удачно сочетаться с другими химическими реагентами, используемыми в процедуре гидроразрыва пласта, например ингибиторами, бактерицидными агентами, деструкторами полимерного геля, а также ингибиторами парафинообразования и коррозии (US, патент 6209643).
Известен (US, патент 7032667) способ расклинивания трещины с использованием клейких агентов и смоляных проппантов.
Также известен (US, патент 6742590) способ защиты трещины от выноса расклинивающего наполнителя с использованием смеси клейких материалов с деформируемыми частицами, которые сами по себе являются эффективными добавками, предотвращающими вынос проппанта.
Другой разновидностью материалов, используемых для борьбы с выносом проппанта, являются термопластичные материалы (US, патент 5501274, заявка ЕР 0735235). Термопластичные материалы, находящиеся в смеси с расклинивающим агентом, обладают способностью размягчаться под действием высокой температуры горной породы и далее с ним слипаться с образованием склеенных агрегатов, включающих множественное число проппанта.
Известен (US, патент 5697440) способ применения термопластичных материалов в смеси со смоляным проппантом.
Также известен (US, патент 6830105) способ предотвращения выноса проппанта из трещины, согласно которому термопластичный материал смешивают с проппантом в жидком состоянии или в виде раствора в подходящем растворителе. В этом случае находящийся в растворе эластомер может самостоятельно или под действием специальных дополнительных реагентов отверждаться с образованием термопластичного материала.
Известен (US, патент 5330005) способ, согласно которому для ограничения выноса проппанта, помещенного в пласт, добавляют волокнистый материал, смешенный с материалом расклинивающего наполнителя, при этом волокна переплетаются между частицами проппанта, придавая им повышенную прочность и ограничивая тем самым обратный вынос проппанта. Предполагают, что волокна переплетаются между частицами проппанта, придавая им повышенную прочность, ограничивая тем самым его обратное движение. Помимо этого добавление волокна позволяет более эффективно перераспределять нагрузки, добавляя перемычки на значительной площади проппантной набивки. Волоконная структура более гибка по сравнению с вулканизованным смоляным проппантом, допуская подвижки проппантно-волокнистой набивки без потери ее прочности.
Развитием известного способа можно признать (US, патент 5908073) способ предотвращения выноса проппанта из скважины благодаря использованию связок волокон, содержащих приблизительно от 5 до 200 отдельных волокон, имеющих длины в диапазоне приблизительно от 0,8 до 2,5 мм и диаметр в диапазоне приблизительно от 10 до 1000 мкм. Указанные связки предпочтительно имеют фиксацию с одной стороны.
Механизм работы деформируемых, термоэластичных или эластомерных материалов, которые используют для предотвращения выноса проппанта, основан на вдавливании частиц проппанта в деформируемый материал. Были разработаны так называемые "деформируемые частицы", представляющие собой частицы преимущественно бисерной формы (US, патент 6059034). Деформируемые частицы способствуют более эффективному перераспределению напряжений внутри упаковки проппанта, а также увеличению ее прочности за счет увеличения площади контакта между зернами расклинивающего наполнителя. Серьезным недостатком мягких материалов можно признать заметное уменьшение свободного порового пространства упаковки проппанта за счет частичного проникновения частиц деформируемого материала в поры, что приводит к снижению проницаемости трещины и падению добычи нефти и газа.
С другой стороны, повышенная твердость частиц благоприятствует сохранению проницаемости упаковки, но уменьшает способность проппанта внедряться в деформируемый материал. Результатом этого является уменьшение прочности упаковки проппанта и, как следствие этого, менее эффективное закрепление проппанта в трещине.
Способ частичного решения данной проблемы (US, патент 6330916) состоит в создании материалов ядро-оболочка, представляющих собой композитные частицы, содержащие недеформируемое ядро и деформируемое покрытие. Ядро состоит из деформируемых материалов и может включать размолотые или дробленые материалы, например ореховую скорлупу, скорлупу семян, косточки фруктов и обработанную древесину. Оболочка частиц при этом выполнена из полимерного материала. Деформируемые полимерные частицы могут иметь различную форму, например овальную, клиновидную, кубическую, стержнеобразную, цилиндрическую, многогранную, неправильную, коническую, но предпочтительно с максимальным отношением длины к основанию меньшим либо равным 5.
Таким образом, можно сформулировать критерии, которым должен отвечать идеальный продукт, используемый для борьбы с выносом проппанта. Частицы такого материала должны иметь достаточную твердость в режиме освоения скважины и высокую твердость в режиме добычи. Другими словами, на стадии освоения скважины невысокая твердость частиц благоприятствует внедрению зерен проппанта в деформируемый материал и, как следствие, эффективному перераспределению напряжений в проппантной пачке и уменьшению доли сломанного проппанта, а также увеличению прочности упаковки проппанта. В то же время на стадии добычи высокая твердость материала позволяет поддерживать высокую проницаемость проппантной набивки, а также эффективно удерживать проппант в трещине.
В рамках данной заявки под термином «твердость» подразумевается способность материала сопротивляться вдавливанию других тел.
Величину твердости можно определить методами Бринелля, Роквела или Виккерса, которые основаны на вдавливании стального шарика, алмазного или металлического конуса или пирамидки в тестируемый материал и последующем анализе глубины вдавливания индентора или размеров получаемого отпечатка. Дополнительно для характеристики материала могут быть использованы и другие характеристики, косвенно характеризующие твердость материала: модуль упругости, коэффициент Пуассона, предел текучести и разрушающее напряжение.
Техническая задача, решаемая посредством разработанного технического решения, состоит в разработке нового материала в виде частиц с контролируемо изменяющейся твердостью в условиях трещины.
Технический результат, получаемый при реализации разработанного технического решения, состоит в перераспределении напряжений в упаковке проппанта, размещенной в трещине гидроразрыва, и снижении его ломкости, что приводит к значительному уменьшению выноса проппанта на стадии промывки, освоения скважины, а также в ходе добычи при одновременном сохранении проницаемости упаковки проппантной набивки на стадии добычи и длительной эксплуатации скважины.
Для достижения указанного технического результата предложено вводить одновременно с зернами проппанта или после закрепления их в трещинах гидроразрыва полимерные гранулы, выполненные из материала, обладающего свойством увеличивать свою твердость в условиях скважины.
Увеличение твердость полимерных частиц в скважине может происходить либо за счет дополнительной полимеризации полимера в частице за счет теплового воздействия скважины и/или дополнительно вводимых инициаторов полимеризации, активирующихся именно при температуре скважины, либо за счет взаимодействия введенных полимерных частиц с водой, сырой нефтью (и/или ее компонентами) или газоконденсатом.
Как отмечено выше, методы создания материалов с изменяемой твердостью условно можно разделить на две группы.
1. Температурное воздействие на частицы материала относится к первой группе методов. Согласно этому методу в качестве инициатора, обеспечивающего повышение твердости материала, может быть кратковременное или длительное тепловое воздействие при температуре, не превышающей температуру разложения материала. Рост твердости материала является результатом протекания реакций внутри и межмолекулярного сшивания полимеров, приводящего к росту молекулярной массы и степени сшивки полимерных цепей. Длительное температурное воздействие в ряде случаев приводит к росту температуры стеклования и увеличению степени кристалличности кристаллизующихся полимеров, что также сопровождается увеличением твердости материала, измеренной при приведенной температуре.
В этом случае частицы состоят из полимера, содержащего функциональные мономерные звенья, способные под действием повышенной температуры к внутри или межмолекулярным превращениям, приводящим к росту жесткости макромолекулы, молекулярной массы и степени сшивки полимерных цепей. Содержание функциональных мономерных звеньев в полимере варьируется в интервале от приблизительно 0,01 до приблизительно 30 мас.%.
В качестве функциональных мономерных звеньев могут быть использованы следующие группы: карбоксильные, амино, сульфо, винильные, акрилатные, кумариновые, стильбены, гидроксильные, фенольные, альдегидные, изоцианатные, эпоксидные, глицидиловые и их комбинация.
Полимер может содержать определенную долю остаточных непрореагировавших мономеров или олигомеров, би, три и полифункциональных мономеров, преимущественно акрилатов и метакрилатов ("сшивателей"), способных к постполимеризации по радикальному механизму с образованием трехмерной пространственной сетки. Содержание соединений способных к постполимеризации в полимере варьируется в интервале от приблизительно 0,01 до приблизительно 40 весовых процентов. Полимер может также содержать низкомолекулярные или олигомерные компоненты, способные к поликонденсации с образованием взаимопроникающей сетки в случае гомогенного распределения реагирующих веществ в полимерной матрице, или полимерных микровключений, в случае гетерогенного распределения реагирующих компонентов в матрице полимерного материала. Содержание соединений, способных к поликонденсации в присутствие матрицы полимерного материала, варьируется в интервале от приблизительно 0,01 до приблизительно 40 весовых процентов. В качестве соединений, способных к поликонденсации в матрице полимерного материала, могут быть использованы резольные и новолачные фенолоформальдегидные смолы.
2. Другая группа методов основана на увеличении твердости материала вследствие взаимодействия материала с нефтью, газоконденсатом или водой во время режима добычи нефтепродуктов. Частичное или полное вымывание и/или растворение пластификаторов или модификаторов, повсеместно используемых в качестве добавок к полимерам, понижающих вязкость, температуру стеклования, плавления, модуль упругости и температуру текучести, приводит к росту указанных выше параметров, а также твердости полимеров. Химическое взаимодействие полимеров с некоторыми соединениями, входящими в состав нефти или газоконденсата, также могут изменить их характеристики. Например, взаимодействие полимеров с серосодержащими соединениями приводит к реакции межмолекулярного сшивания полимерных цепей, повышая температуру стеклования, а также способствуя росту модуля упругости, повышению температуры текучести и твердости полимера.
6
9
Полимер может сшиваться под действием серосодержащих компонентов нефти или газоконденсата (сероводород, меркаптаны), что также приводит к росту жесткости материала. Содержание пластификатора в полимере может варьироваться в интервале от приблизительно 0,01 до приблизительно 60 массовых процентов. Материал может дополнительно содержать пластификаторы. В качестве пластификаторов могут быть использованы низкомолекулярные соединения и олигомеры, в частности могут быть использованы соединения следующих классов: эфиры ароматических и алифатических карбоновых кислот, эфиры гликолей или монокарбоновых кислот, эфиры фосфорной кислоты, сложные полиэфиры, эпоксидированные соединения, растительные масла или их смесь. В качестве пластификаторов могут быть также использованы соединения из следующего списка: ди(2-этилгексил)фталат, бутилбензилфталат, дициклогесилфталат, производные тримеллитовой и пиромеллитовой кислот, эфиры триэтиленгликоля и алифатических монокарбоновых кислот С-С, эфиры бензойной кислоты, трикрезил-, трибутил-, трифенилфосфаты, продукты поликонденсации дикарбоновых кислот, например адипиновой, себациновой, азелаиновой, фталевой, с полиолами, например диэтиленгликолем, 1,2-пропандиолом, 1,3-бутандиолом, а также продукты переэтерификации низших эфиров дикарбоновых кислот полиолами со средней молекулярной массой приблизительно 2000, эпоксидированное соевое масло, эфиры жирных кислот таллового масла, канифоль, льняное, сурепковое масло, олигоэфиракрилаты, триметакрилаттриметилпропан, соли стеариновой, олеиновой, лауриновой кислот, воск, и их смесь.
В обоих случаях полимер может дополнительно содержать ингибиторы старения. Содержание ингибиторов старения варьируется в интервале от приблизительно 0,01 до приблизительно 20 массовых процентов. В качестве ингибиторов старения могут быть использованы соединения из следующего списка: фенил-β-нафтиламин, 2,6-ди-трет-бутил-4-метилфенол, стеараты свинца, бария, кальция, дилаурат дибутилолова, эпоксидные смолы, эфиры пирокатехинфосфористой кислоты и их смесь.
Материал может представлять собой наполненные полимеры, содержащие твердые или жидкие органические и неорганические вещества, которые распределены в фазе полимера с образованием гетерофазной системы с выраженной границей раздела фаз. Содержание наполнителей варьируется в интервале от приблизительно 0,01 до приблизительно 40 массовых процентов. Полимер может содержать наполнители, способные растворяться в воде, сырой нефти или газоконденсате. В качестве наполнителей полимеров могут быть использованы вещества из следующего списка: соли металлов, парафины, маслорастворимые полимеры, например полиэтилен, полипропилен, водорастворимые полимеры, например полимолочная кислота, полиакриловая кислота и ее сополимеры, полиангидриды, а также их смеси.
Размер частиц материала варьируется в интервале от приблизительно 4 меш до приблизительно 60 меш.
Частицы материала и проппант могут быть смешаны заранее или по ходу операции гидроразрыва. Количество материала может быть в интервале от приблизительно 0,01 до приблизительно 60 мас.% от массы проппанта.
В частности, способ может быть реализован с использованием поливинилхлоридных гранул (ПВХ).
Ниже будет доказана возможность изменения твердости материала в ходе термообработки гранул материала в условиях приближенных к скважинным. На примере одного из представителей широкого класса термопластичных материалов будет показана эффективность температурного воздействия и взаимодействия частиц материала с нефтью как средство повышения твердости полимерных соединений.
В ходе эксперимента гранулы поливинилхлорида (ПВХ) были подвергнуты длительной термообработке при 110°С в присутствии сырой нефти, отобранной с Южноприобского месторождения, в течение 18 суток. Испытывали два типа ПВХ: ПВХ, содержащий пластификатор (пластикат), а также ПВХ, не содержащий пластификаторов или стабилизаторов. Термомеханический анализ полимеров проводили на приборе Instrument TMA Q400 с использованием программы обработки данных Universal Analysis 2000. Размер образца составлял 6,0×4,0×0,3 мм. Дифференциальную сканирующую калориметрию (ДСК) проводили на приборе DSK Q200 при скорости измерения температуры 10 град/мин. Измерения проводили по стандартным процедурам ISO 178, ISO 11359, ГОСТ 9550-71. Температуры стеклования измеряли методами ДСК и TMA (из анализа температурной зависимости тангенса угла механических потерь tgδ).
В таблице суммированы основные характеристики ПВХ до и после термообработки: температура стеклования и модуль упругости при изгибе. Как следует из таблицы, увеличение времени термообработки сопровождается заметным ростом температур стеклования, а также модуля упругости. Это указывает на рост твердости полимера при контакте с нефтью при пластовых температурах. Объяснением этого может служить известная для ПВХ особенность термического старения, заключающаяся в выделении НС1 и возникновении двойных связей в макромолекулах ПВХ, способных к раскрытию и образованию сшитого полимера.
Для пластифицированного ПВХ (пластиката) эффект термообработки в сырой нефти также сопровождается ростом твердости. Например, если для исходного пластиката температура текучести составляла -12°С, то через неделю она повысилась на 54°С, что связано с вымыванием пластификаторов из гранул, а также дополнительным сшиванием полимерных цепей ПВХ.
Образец
Стеклование, °С
Модуль упругости, ГПа
ДСК
ТМА (tgδ)
30°С
90°С
ПВХ
46
56
1,9
-
ПВХ-7*
55
77
3,0
1,1
ПВХ-18
64
76
3,3
2,0
*- Время термообработки, сутки.
Предложенный способ работает более эффективно, если применяется процедура принудительного закрытия трещины.
Способ гидроразрыва с применением материала с контролируемой твердостью в условиях трещины обеспечивает эффективное уменьшение выноса проппанта из трещины, а также способствует сохранению высокой проницаемости пласта.
ПРИМЕР
Гранулы полимерного материала были подвергнуты длительной термообработке при 110°С в присутствии сырой нефти, отобранной с Южноприобского месторождения, в течение 18 суток. Испытывали материал, содержащий полимер - поливинилиден в количестве 75 мас.%, полиэтилен - 10 мас.%, трифенилфосфат - 5 мас.%, 2,6-ди-трет-бутил-4-метилфенол - 10 мас.%. Термомеханический анализ полимеров проводили на приборе Instrument TMA Q400 с использованием программы обработки данных Universal Analysis 2000. Размер образца составлял 6,0×4,0×0,3 мм. Дифференциальную сканирующую калориметрию (ДСК) проводили на приборе DSK Q200 при скорости измерения температуры 10 град/мин. Измерения проводили по стандартным процедурам ISO 178, ISO 11359, ГОСТ 9550-71. Температуры стеклования измеряли методами ДСК и TMA (из анализа температурной зависимости тангенса угла механических потерь tgδ).