Патент на изобретение №2298088

(54) СПОСОБ РАЗРАБОТКИ НЕОДНОРОДНОГО НЕФТЯНОГО ПЛАСТА

(57) Реферат:

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=R²mh, 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):

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.%:

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.%:

при этом объем указанной дисперсии рассчитывают по формуле

V=R²mh, 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=R²mh,

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 (d_nop=5-10 мкм) бумажный фильтр “белая лента” (d_пор=3-5 мкм) бумажный фильтр “синяя лента” (d_пор=1-2,5 мкм) мембранный фильтр Владипор №8 (d_пор=0,751-0,850 мкм) мембранный фильтр Владипор №4 (d_пор=0,351-0,450 мкм) мембранный фильтр Владипор №3 (d_пор=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:

₀=D/d,

где ₀ – 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	Vпор	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% Vпор):
Относительное количество профильтрованной жидкости (ОКПЖ)	Vпор	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.

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=R²mh. 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.

Формула изобретения

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.%:

при этом объем указанной дисперсии рассчитывают по формуле

V=R²mh,

где R – радиус проникновения дисперсии в пласт, м,

m – средняя пористость, доли единиц,

h – суммарная толщина принимающих интервалов, м