За механізмом закупорювання водопровідних каналів

Застосування методів ізоляції водоприпливів, коли ізоляційний мате­ріал отримують автономно внаслідок фізико-хімічних реакцій інгредієнтів, що складають водоізоляційну композицію, і незалежно від характеру пустотного середовища, але з урахуванням термобаричних умов у пласті,

базується на використанні двох головних процесів під час утворення водоізоляційних середовищ: кольматажу і тампонажу.

Кольматаж - це природне або штучне намивання твердих частинок у пористе чи тріщинувате середовище з їх накопиченням там, що зменшує фільтрацію. До методів ремонтно-ізоляційних робіт з проявом кольма­тажу відносяться технології, які основані на утворенні осадів або набу­ханні диспергованих частинок суспензії. Ці осади і частинки наповнюють і перекривають водопровідні порові і тріщинні канали, зменшуючи їх про­пускну здатність.

Осадоутворювальні легкофільтрівні розчини нагнітають у сверд­ловину послідовно окремими компонентами за наявності роздільної інертної рідини або у вигляді емульсії, а під час їх перемішування чи руй­нування емульсії випадає осад у привибійній зоні пласта. Якщо одним із розчинів буде мінералізована пластова вода, яка знаходиться в приви­бійній зоні пласта, то в певній мірі можна забезпечити селективність ізоляції. Але технології зі застосуванням осадоутворювальних розчинів малоефективні внаслідок обмеженої зони їх перемішування в порах плас­та через швидкоплинність хімічної реакції і малу кількість осаду. У разі змішування розчинів у стовбурі свердловини зона кольматації порових каналів також незначна за глибиною проникання в пласт внаслідок накопи­чення осаду на вході в пори (утворюється поверхнева кірка осаду).

Одним із методів отримання водоізолювального тампону є викори­стання реакції між двома реагентами (метод двох розчинів), яку здій­снюють у пласті при послідовному запомповуванні розчинів двох реа­гентів, розділених буфером інертної рідини. Окремим випадком є реакція одного реагенту з пластовою водою [500].

Ефективність утвореного при цьому тампону в першу чергу залежить від характеру реакції реагентів і розмірів зони їх змішування. Досліджен­ня, проведені в інституті ВНИИнефть, показали [448], що розмір зони змі­шування становить 16-18% від довжини оброблюваного інтервалу. Ефек­тивність ізоляції залежить від коефіцієнта перемішування, котрий визначає об'єм отримуваного продукту реакції, що перекриває канали фільтрації. Коефіцієнт перемішування залежить від відмінності в'язкостей розчинів реагентів (краще, коли другий запомповуваний розчин має менший коефі­цієнт динамічної в'язкості і обидва розчини приготовлені на основі взає-морозчинних рідин) і характеристики колектора: чим більші коефіцієнт проникності або тріщинуватість, тим кращим є змішування (рис. 2.1).

У результаті реакції двох розчинів може утворюватись, у залежності від типу реагентів, дисперсний осад (кристалічний або аморфний), в'язко-пружна суміш (гель) або тверде тіло. Характерно, що для помітного зниження коефіцієнта проникності в пористому середовищі достатньо

Рис. 2.1 - Об'ємна частка осаду V0 відносно об'єму пор взірця Vn у залежності від його коефіцієнта по-чаткової проникності к1 у зоні змі-шування (1) і поза зоною змішування (2)

утворення дисперсного оса­ду в об'ємі 1-3% від об'єму пор оброблюваної зони [488]. Це можна пояснити тим, що частинки осаду блокують не пори, а припливні канали, які зв'язують їх. Тому одним із основних факторів придатно­сті реагентів, які утворюють осад, є відповідність розмірів частинок осаду розмірам пор, а також їх концентрація [500]. Для отримання осаду в пласті можна використовува­ти цілий ряд неорганічних ре­човин. Результати досліджень зі змішування їх розчинів з пластовою водою хлоркальцієвого типу густиною 1180 кг/м³ у співвідношенні 1: 1 дали змогу розташувати реагенти в наступній послідовності.

1. За максимальними розмірами частинок осаду: їдкий натр, 2% розчин* (0, 01 мм) < сірчана кислота, 98% < сірчанокислий алюміній, 5, 5% розчин* < кальцинована сода, 5% розчин* (0, 15 мм) < 5% розчин силікату натрію (0, 2 мм) < 20%о розчин силікату натрію (1 мм) (*стехіометрична концентрація);

2. За об'ємом осаду (% від об'єму суміші): розчини силікату натрію, 85-95% > сірчана кислота, 25% > сірчанокислий алюміній, каустична сода, 22% > кальцинована сода, 5% [500].

Враховуючи критерій фільтрівності суспензій, всі розглянуті розчини здатні знижувати коефіцієнт проникності пористого середовища. При цьому концентрація осаду повинна бути достатньою, щоб утворювалися пробки у звуженнях пор.

Найбільш об'ємний осад дає розчин силікату натрію, якого достатньо для блокування порових каналів. Характерно також і те, що величину частинок осаду можна регулювати концентрацією розчину реагенту. Ла­бораторні дослідження показують, що 1, 5-10% розчини силікату натрію мають ефект водоізоляції 90-95%) при коефіцієнтах проникності до 0, 10 мкм², 11-15% - при 0, 1 -1 мкм², 40-50 - понад 1 мкм². Слід зазначити, що, будучи колоїдним розчином, силікат натрію володіє кольматувальним ефектом, який особливо проявляється при коефіцієнтах проникності до 0, 6-0, 8 мкм². Позитивною властивістю силікату натрію є його висока активність - осадоутворення відбувається за вмісту у воді йонів багато­валентних металів ≥ 1 г/л [500].

Рис. 2.2 - Ефект водоізоляції в залежності від коефіцієнта початкової проникності fcj за рахунок осадоутворення гіпсу і коефіцієнта проникності після осадо­утворення к2: 1 - дані І.Л. Мархасіна, Б.М. Лейберта, Л.Х. Баширова [500]; 2 -дані роботи [298]; 5-дані роботи [139]

Зрозуміло, що, починаючи з певної значини коефіцієнта про­никності, концентрації і розміру ча­стинок осаду стає недостатньо для блокування фільтрації (рис. 2.2). Із рис. 2.2 видно, що одна зо­на змішування дає ізолювальний ефект за коефіцієнта проникності до 1-1, 5 мкм². Характерно, що за коефіцієнта проникності близько 4 мкм² на початковій стадії ефект водоізоляції спостерігався, але осад виносився із моделі при градієнтах тиску всього 0, 1 МПа/м, а коефі­цієнт проникності відновлювався до початкового [297].

Підвищити ефект ізоляції при високому коефіцієнті проникності можна збільшенням кількості зон змішування, причому якщо одна зона змішу­вання була неефективною, то отримання 3-4 зон гіпсоутворення може зни­зити коефіцієнт проникності з 4 мкм² до нуля [298]. Однак при дуже ве­ликому коефіцієнті проникності, коли розміри частинок є меншими 0, 1 діа­метра пор, цей прийом виявився безрезультатним, що показали, наприк­лад, дослідження процесу гіпсоутворення [139] при коефіцієнтах проник­ності близько 8-9 мкм².

Слід відмітити, що з названих осадоутворювальних матеріалів лише розчини силікату натрію і їдкого натру дають аморфний осад з пластовою водою, решта - кристалічний. Особливістю аморфних осадів є їх випа­дання та затримування на місці змішування. Утворення ж кристалічного осаду пов'язане з часом тривалості росту кристалів, тому осад випадає на деякій відстані від місця змішування і утворення зони змішування. Тому при невеликій глибині діяння на пласт аморфним осадам віддається більша перевага. Однак і вони утворюються лише після формування зони змішування, тобто на деякій віддалі від стовбура свердловини. Врахо­вуючи дискретний характер тампону, відсутність його адгезії з поверхнею порових каналів, такі розчини можуть знайти широке використання лише при обмеженні припливу підошовних вод, у нагнітальних свердловинах для обмеження приймальності окремих інтервалів при радіусах діяння більше радіуса розкриття тріщин. При обмеженні припливу пропласт-кових вод вони будуть ефективними лише при радіусах діяння понад 2-3 м, коли осад перебуває в області невеликих градієнтів тиску і швид­костей фільтрації [500].

Те ж саме можна сказати про застосування 8-10% розчинів син­тетичних жирних кислот (СЖК) С_20+в, які є нерозчинними у воді аніо­ноактивними ПАР, у вуглеводневому розчиннику [5]. Згідно з лаборатор­ними даними коефіцієнт водопроникності взірців у цьому випадку знизився в 3, 5 рази, коефіцієнт проникності керна, насиченого гасом, в 1, 26 рази. Комбінація розчинів СЖК з попереднім запомповуванням в модель 20% розчину каустичної соди дала зниження коефіцієнта проникності в 60 разів і більше. Хоча в роботі [5] не приведено даних контрольних дослідів із запомповування одного розчину каустику, можна припустити, що основний вплив на коефіцієнт проникності виявила реакція лугу з мінералізованою водою густиною 1180 кг/м³ з випаданням осаду аморфного гідрату окису магнію, а не покращення омилювання СЖК лугом.

Близькою до описаного є і суміш ГФЖ, яку отримують змішуванням 10%) розчину СЖК в газоліні із водними розчинами хлористого кальцію і їдкого натру. Суміш здатна знижувати коефіцієнт водопроникності пористо­го середовища в 10-30 разів. Коефіцієнт проникності нафтонасичених взір­ців змінювався в дослідах після пропомповування ГФЖ не істотно. Відмі­тимо, що коефіцієнт динамічної в'язкості ГФЖ великий (за СПВ-5 - 170-230 с), тому запомповування її в пласт у великих об'ємах утруднене [500].

Діяння водних розчинів кислого гудрону [319], котрі є відходом нафто­переробних підприємств і містять 30-45% вільної сірчаної кислоти, основане на ефекті гідрофобізації й утворенні осаду гіпсу при змішуванні з мінералізованою водою. Автори рекомендують використовувати ці роз­чини для обмеження пропласткових вод у колекторах з коефіцієнтом про­никності понад 0, 1 мкм² і температурах до 80°С. Відзначено, що за прак­тично незмінного коефіцієнта проникності нафтонасичених взірців піско-вика коефіцієнт проникності водонасичених взірців знижувався до 3 разів (початковий коефіцієнт проникності 2 мкм²). Звідси зрозуміло, що цей матеріал може знайти використання для обмеження припливу підошовних і пропласткових вод у теригенних колекторах.

Відомо багато способів кольматажу пор і тріщин пласта суспензіями порошкоподібних чи гранульованих матеріалів у рідині, зокрема суспензій полімерів (поліолефіни - поліетилен типів ПНТ, ППП, ПБП; ненасичені полімери - латекс СКС-ЗОШХП), твердої смоли, пом'якшувача (структу­роутворювача), полівінілового спирту, полістиролу, парафіну, асфальту, гранульованого магнію, глини, гумової крихти, піску, черепашнику, горі­хової шкаралупи і т. д.

Після нагнітання суспензії в пласт на необхідну глибину тверді частин­ки осідають із розчину і утворюють зернистий проникний шар, а частина із них набухає чи вступає в реакцію гідролізу, при цьому утворюються ве­ликі агрегати, які перекривають пори і тріщини. Для забезпечення ефек-

тивності необхідно підібрати відповідний розмір частинок суспензії до розміру пор (див. нижче), а також використати частинки, які здатні на­бухати. Ефективність цих технологій визначається обгрунтованістю і ретельністю кореляції розмірів частинок суспензії і розмірів пор та тріщин для забезпечення фільтрації суспензії в тріщини чи в пори і тріщини. Складним елементом цих технологій є підбір розмірів частинок сус­пензії у відповідності із середньостатистичними значинами діаметрів пор, які залежать від характеру пустотного простору багатопластових покладів з неоднорідними колекторами і, відповідно, з великими ва­ріаціями величин. Це краще можна виконати для тріщинувато-пористого середовища (див. нижче). Через великі варіації розмірів каналів (пор, тріщин) трудно підібрати відповідний діаметр частинок. Тому доцільно запомповувати суспензії з діаметрами частинок, які подаються по­ступово із щораз більшими діаметрами до припинення фільтрації (див. нижче).

Тампонаж - це заповнення водонепроникним матеріалом пор і трі­щин. Ефект тампонажу проявляється під час нагнітання в привибійну зону пласта водонафтополімерцементних та інших розчинів (дисперсій), які швидко структуруються. Недоліками технологій з використанням тампо­нажу є слабке проникання дисперсій в пористе і мікротріщинувате сере­довища, розтріскування ізолювального каменю, синерезис або необоротна релаксація деяких матеріалів.

При застосуванні методів ізоляції водоприпливів, які базуються на на­гнітанні в пласт пінних систем, легкофільтрівних розчинів двох чи більше реагентів (це, як правило, взаємодіючі розчини полімерів, поліелектролітів або інших високомолекулярних сполук і розчини комплексоутворювальних агентів, котрі містять багатовалентні катіони металів) ефект тампонажу проявляється внаслідок утворення ізолювальних матеріалів із струк­турно-механічними властивостями. Це, в першу чергу, зумовлено їх внут­рішньою просторовою структурою, яка може бути коагуляційною (геле-подібною) або конденсаційно-кристалізаційною.

Коагуляція - це злипання частинок дисперсної фази в колоїдних системах, що супроводжується випаданням осаду, гелевипаданням чи гелеутворенням в усьому об'ємі системи і відбувається як без зов­нішнього діяння на систему (з часом) внаслідок її тенденції до зменшення вільної енергії, так і за такого діяння (через підвищення температури, у випадку механічних, електричних та інших впливів, під час введення коагулянтів). Коагуляція з випаданням осаду (осадження) характерна для полімерів і грунтується на осадженні полімерів кислот акрилового ряду, поліолефінів, латексів, нафтопродуктів (нафтосірчанокислотна суміш) під дією мінералізованих вод або електролітів.

Гель - колоїдна структурована система з досить малою граничною напругою зсуву, в якій дисперсна фаза (високомолекулярна сполука) утворює ґраткову порувату просторову структуру, заповнену рідинним дисперсійним середовищем (розчинником). Виникання в об'ємі рідини такої просторової ґратки зумовлюється: в колоїдних системах - зчеп­ленням частинок дисперсної фази, в розчинах полімерів - хімічним зши­ванням лінійних макромолекул, тривимірною полімеризацією або полікон­денсацією. Гелеутворення супроводжується проявом в'язкопружних властивостей системи. У розчинах полімерів кислот акрилового ряду гелеутворення відбувається або внаслідок додавання структуроутво­рювачів - формаліну (гіпаноформалінові суміші і в'язкопружні суміші на основі поліакриламіду - ПАА), смоли ТЕГ-1, або внаслідок переходу золя рідкого скла (кремнійвмісна неорганічна сполука) в гелеподібний стан.

Ширшу область використання можуть мати суміші, що утворюють при змішуванні з пластовою водою гель, котрий володіє адгезією до колектора, цементного каменю і металу. Із таких матеріалів перш за все слід виділити розчини акрилових полімерів: гіпан, метас, комета [448], МАК-ДЕА [297], гідролізований ПАА і тампакрил.

Гідролізований на 30% і більше ПАА, як і гіпан, висолюється йонами двовалентних і більше металів. Для здійснення гідролізу до розчину ПАА необхідно додати луг. Найкращими умовами гідролізу на 30% для 0, 6-1% розчинів ПАА є рН = 12, 8 при температурі 25-30°С, час реакції 24 год. Більший ступінь гідролізу, на 60-70%, досягається введенням у розчини полімеру 0, 2-5% каустичної соди [418].

Така структура має структурно-механічні властивості, в першу чергу, граничну напругу зсуву, що зумовлює утворення водоізолювального там­пону у всьому об'ємі розчинів і забезпечує блокування водонасиченої зони за певних градієнтів тиску. Ефективність водоізолювального там­понажу грунтується на структурно-механічних властивостях, на гра­ничній напрузі зсуву. Але якщо в принципі є можливою необоротна релак­сація систем з коагуляційною структурою за будь-яких малих напруг зсуву, то і течія є можливою за таких же малих напруг. А значить, релак-суючі системи з коагуляційною структурою не можуть надійно і довго­тривало ізолювати канали водоприпливів і з часом повинні витискуватися із пор пласта.

Другим істотним недоліком цих систем є синерезис, тобто самовільне зменшення об'єму гелю з одночасним виділенням із нього дисперсійного середовища, яке міститься у вузлах сітки гелю. Під час розпадання структури гелю зникають структурно-механічні властивості системи і відповідно - водоізоляційний ефект в об'ємі тампону. Тобто, синерезисні матеріали з коагуляційною структурою можуть ефективно використо-

вуватися для ізоляції водоприпливів, але ефект водоізоляції не може бути тривалим.

Триваліший ефект досягається із використанням водоізоляційного матеріалу, який легко фільтрується в пласт і твердне в ньому з утворенням конденсаційної або конденсаційно-кристалізаційної структури. Конденса­ція - поетапна реакція, в процесі якої два або більше реактантів з'єд­нуються в одне ціле з одночасним виділенням менших молекул, тобто конденсаційні структури виникають у результаті настання міцних хімічних зв'язків між частинками. Кристалізація - процес утворення та росту кристалів із розплаву, розчину або з газової фази, тобто кристалізаційні структури виникають у результаті зрощування в процесі викристалізову-вання нової фази.

До матеріалів, які тверднуть з утворенням конденсаційно-кристаліза­ційної структури, відносяться олігомери (смоли), мономери і кремнієор-ганічні сполуки.

Олігомери (смоли) - це проміжні речовини (за розміром молекул) між полімерами і мономерами. Олігомери тверднуть у присутності отверд-жувачів. Утворення закупорювального (тампонувального) матеріалу має місце внаслідок процесів полімеризації, гідролітичної поліконденсації і по-ліприєднань.

Смоли, які містять у молекулі не менше двох епоксичних чи кінцевих гліціділових груп, у присутності отверджувача - триетаноламіну - тверд­нуть внаслідок полімеризації (характеризуються підвищеною адгезією до металу).

Смоли на основі сланцевих водорозчинних фенолів (ТСД-9, ТС-10), рідинні фенолформальдегідні смоли (СФЖ-3012, ВР-1) і резорцино-формальдегідні смоли (МФ-17, закріплювач „М") тверднуть у результаті гідролітичної поліконденсації. Перед запомповуванням у свердловину готують композицію із смол, отверджувача (формальдегіду, уротропіну) і каталізатора (найчастіше лужного), від співвідношення кількості яких залежить тривалість часу твердіння смоли. Найбільше застосування знайшли суміші ТСД-9 і ТС-10 з формаліном або уротропіном. До недо­ліків цих синтетичних смол відноситься термореактивність (за великих геотермічних градієнтів можливою є спонтанна реакція полімеризації), а також усадка затверділих смол, що створює умови для проривання води через тампон.

Ізоціанатні олігомерні сполуки - уретани (УФП-50 АО, КІП-Д) - під дією води здатні тверднути в результаті процесу поліприєднання (харак­теризуються високою реакційною здатністю щодо води).

Для мономерів характерними є реакції: а) гідролітичної поліконден­сації; б) крос-полімеризації з утворенням „зшитих" структур (акриламід

за присутності зшивального агента - метилен-біс-акриламіду - під дією ініціюючої системи полімеризується з утворенням нерозчинного полімеру з просторовою структурою, який має здатність дещо набухати); в) термополімеризації (стирол в умовах високотемпературного пласта під дією тепла піддається термополімеризації з утворенням нерозчинного полімеру).

На основі кремнієорганічних сполук відоме застосування: а) ефірів кремнієвої кислоти (етилсилікат ЕС-5); б) органохлорсиланів; в) олігоор-ганохлорсилоксанів.