Застосування ПАР під час первинного розкриття пластів бурінням

Якість первинного розкриття продуктивних[ горизонтів під час буріння нафтових і газо­вих свердловин визначає успішність подальшої розробки родовищ. Результати багатьох дослі­джень вказують на доцільність підвищення поверхневої активності фільтратів промивальних рідин. Висока поверхнева активність - основна властивість іонно-молекулярних поверхнево-активних речовин (ПАР).

У разі проникнення фільтрату промивальної рідини в нафтоносний пласт зменшуються показники природної проникності привибійної зони. Капілярні тиски сприяють проникненню фільтрату вглиб пласта. Запобігти цьому можна шляхом зменшення міжфазного натягу.

Проникаючи у привибійну зону, фільтрат бурової промивальної рідини на водній основі відтискує нафту від вибою свердловини. Під час зворотного витиснення водного фільтрату нафтою значна його частина може затримуватися в поровому просторі і чинити опір рухові на­фти до свердловини. Додаючи відповідні ПАР, різко знижують міжфазний натяг на межі води з нафтою, а також зменшують сили міжмолекулярної взаємодії водного фільтрату з твердою по­верхнею у поровому просторі, що облегшує приплив нафти до привибійної зони.

Додаток ПАР до бурової промивальної рідини впливає на параметри зони проникнення: змінює електричну і фізико-хімічну характеристику флюїдів зони проникнення, змінює харак­тер розподілу нафти і води у поровому просторі колектора.

При виборі ПАР для обробки бурових промивальних рідин під час первинного розкрит­тя продуктивних пластів досліджують їх фізико-хімічні властивості, їх вплив на характеристи­ки фільтраційних кірок, фільтрату, на характер витиснення нафти з кернів гірських порід мето­дом їх капілярного насичення, а також на технологічні параметри бурових промивальних рідин (умовну, пластичну і ефективну в'язкість, статичну і динамічну напругу зсуву та ін.) [6].

Для обґрунтування вибору ПАР для розкриття конкретного об'єкту враховують, що ПАР:

- не має вступати в реакцію з пластовими рідинами, наслідком якої є утворення осаду;

- в системі "нафта - залишкова вода – порода - фільтрат" має знижувати міжфазний натяг фільтрату на межі розділу з нафтою при порівняно малих концентраціях;

- має характеризуватися мінімальною адсорбуючою активністю щодо поверхні твердих тіл;

- за термостійкістю має відповідати температурним умовам залягання об'єкту;

- не повинна спінювати промивальну рідину;

- має бути малотоксичною.

Слід зауважити, що окремі автори висловлювали сумнів щодо доцільності застосування ПАР при закінченні свердловин бурінням. Однак, це спростували інші дослідники, які до­вели, що обов'язковим є врахування таких важливих параметрів пластової системи, як фізико-хімічні властивості нафти і залишкової води, що потребувало удосконалення методик виконання експериментів і сприяло правильній оцінці значення ПАР як компонентів бурових промивальних рідин [6].

Головною метою здійснення обробок технологічних рідин поверхнево-активними речо­винами є попередження кольматації порід-колекторів.

Дуже малі додатки ПАР здатні змінювати хід фізико-хімічних процесів, що пов'язані із взаємодією фаз в об'ємі найбільш промивальної рідини і в поровому просторі. Застосування ПАР дає можливість коректувати окремі технологічні характеристики промивальних рідин.

Концентруючись на різних поверхнях розділу, поверхнево-активні речовини утворюють тонкі адсорбційні шари, внаслідок чого різко змінюються властивості поверхні, а це веде до зміни кінетики процесів переходу речовин через поверхні розділу фаз, і, що не менш важливо, умов міжмолекулярної взаємодії фаз, що стикаються [6]. Такі зіткнення на межі розділу фаз певним чином впливають практично на всі молекулярно-силові взаємодії в системі.

Визначення фізико-хімічних властивостей водорозчинних іонно-молекулярних ПАР, які застосовують у бурінні, показали, що, не дивлячись на забезпечення порівняно близького сту­пеня зниження міжфазного поверхневого натягу, вони різняться за термостійкістю, адсорбцій­ною активністю, що пов'язано, головним чином, з їх хімічною природою.

Ефективність окремо взятої для обробки промивальної рідини поверхнево-активноі ре­човини залежить не тільки від її індивідуальних властивостей, але й від комплексної її дії разом з інградієнтами промивальної рідини.

Доцільність обробки конкретної промивальної рідини тією або іншою ПАР обґрунто­вують експериментально на зразках породи за результатами підвищення коефіцієнту віднов­лення проникності.

Крезуб А.П. із співробітниками на фільтраційній установці типу УДПК на еталонних взірцях порід досліджував вплив на зміну коефіцієнту відновлення проникності різних типів бурових розчинів (гуматний, лігносульфонатний. вапняний, мінералізований, хлоркалієвнй, хлоркальцієвий), оброблених різними ПАР неіщногенного типу - ОП-ІО і превоцелом W-ON. Встановлено, що внаслідок застосування ОП-10 збільшення значень коефіцієнта відновлення проникності (β) не було досягнуто. Більш того, зауважено було навіть зниження значень цього показника на 0,8-15,0%. У разі застосування превоцелу W-ON для обробки цих же типів роз­чинів було досягнуто збільшення β на 15,4 %, особливо для промивальної рідини лігносульфатного типу [6].

Панов Б.Д. доцільність застосування ПАР під час розкриття продуктивних пластів бу­рінням пов'язує зїх позитивною дією щодо збільшення проникності пористого середовища за­вдяки створенню низького міжфазного натягу, запобігання утворенню стійких дрібнодисперс­них водо-нафтових емульсій в капілярах колектора, а також із зменшенням набухання глинистої речовини колектора та з попередженням утворення структурованої рідини при наявності асфальто-смолистих речовин в пластовій нафті та випадання осадів солей [6].

Дослідження залежності нафтопроникності кернів від міжфазного натягу (δ) водних розчинів ПАР при постійному тиску і температурі показали, що значення коефіцієнта відновлення проникності стрімко збільшуються при мінімальних δ (1-2 мН/м) і при оптимальних величинах (12-16 мН/м), а між цими межами спостерігали зниження їх значень. Однак слід вважати, що під час досліджень впливу бурових промивальних рідин, оброблених ПАР. на зміну значень β цей характер залежностей може бути не настільки чітко вираженим, все ж дослідження підтверджують доцільність їх застосування під час розкриття нафтонасичених колекторів в процесі буріння.

З підвищенням температури бурового глинистого розчину, при якій відбирають фільтрат, величина δ переважно тим менша, чим більша температура при відборі, що вказує на зменшення адсорбційної здатності глинистих часток промивальної рідини з температурою.

У разі застосування ПАР при бурінні свердловин з високими вибійними температурами необхідно враховувати термостійкість конкретної ПАР, оцінювати яку можна шляхом заміру міжфазного натягу досліджуваних ПАР до і після прогрівання їх розчинів у спеціально сконструйованих автоклавах.

Скоморовська Н.І. зі співавторами досліджували залежності впливу мінералізації на зміну міжфазного натягу розчинів ПАР, які застосовували для обробки бурових розчинів із визначенням коефіцієнта відновлення проникності. На прикладі досліджуваних неіногенних ПАР (ОП-7, ОП-10, тержитол, проксанол-125) показано, що на активність більшості з них мінералізація мало впливає, однак виявлено, що поверхнева активність проксанолу-125 у мінералізованій воді стрімко збільшується поруч з малою його адсорбцією на високодисперсних адсорбентах. Це стало підставою рекомендувати застосування проксанолу-125 для обробки мінералізованих бурових промивальних рідин під час первинного розкриття пластів.

Дещо інший характер мар вплив мінералізації на характеристики іоногенних ПАР. Активність катіонних ПАР у мінералізованому середовищі послаблюється. Значно складніший характер зміни активності аніонних ПАР у мінералізованому середовищі: наявність солей одновалентних металів переважно сприяє зниженню міжфазного натягу, солі ж полівалентних залежно від їх концентрації, концентрації і природи ПАР можуть дещо знижувати між фазний натяг або спричинювати його збільшення внаслідок осадження ("висолення"') активної речовини.

З врахуванням цього створюють спеціальні технології застосування ПАР для обробки промивальних рідин. За умови оптимальної композиції глини, аніонної ПАР, електролітів (NaCl, CaCl₂) і реагентів-стабілізаторів одержано ефективний склад малоглинистої промивальної рідини, що успішно застосували під час розкриття пластів бурінням в складних геолого-фізичних умовах Внутрішньої зони Передкарпатського прогину. Дослідження впливу електролітів і високомінералізованої пластової води на поверхневу активність аніонних ПАР (сульфонол НП-1, НП-3, сульфонат, азолят Б, некаль НБ) показали, що суттєвим при цьому є значення ККМ (критичної концентрації міцелоутворення) ПАР. У присутності хлориду кальцію ПАР з низькими значеннями ККМ висолюються, що знижує ефективність обробки промивальних рідин. Разом з тим, обробкою ПАР з високим значенням ККМ хлоридом кальцію досягають досить низьких значень міжфазного натягу, покращення реологічних характеристик промивальної рідини, підвищення коефіцієнта відновлення проникності.

Щодо застосування катіонних ПАР для обробки бурових промивальних рідин, погляди дослідників суперечливі. Так, говорячи про недоцільність їx застосування для розкриття продуктивних колекторів, Скоморовська Н.І. спиралась ва те, що позитивний результат можна одержати шляхом суттєвого підвищення концентрації катіонної ПАР або шляхом попередньої гідрофобізації твердої фази рідини і порового простору.

Круглицький М.М. показав, що незначними додатками катіонної ПАР можна досягати покращення структурно-реологічних характеристик глинистих дисперсій, їх антикорозійних та інгібуючих властивостей. Використовувати катіонні ПАР пропонують для покращення характеристик фільтраційних кірок, посилення інгібуючих властивостей бурових промивальних рідин, зокрема, нафтоемульсійних [6].

Катіонні ПАР (ДАБАХ - диметилалкілбензиламонійхлорид, ДАДАХ - диметилдиалкіламонійхлорид), згідно з розробками НДПІ ВАТ "Укрнафта" застосовували для приготування органоглин - колоїдної фази інвертних емульсій [6].

Використання катіонних ПАР як олеофілізаторів є відомим. З цією метою застосу­вання виявлена ефективність і окремих ПАР неіоногенного типу. Андрусяк А. М. із співробіт­никами вказали на своєрідний характер адсорбції порошкоподібної модифікації неонолу В-1020-12 на палигорскітовому глинопорошку. З ростом концентрації цієї ПАР абсолютна величина адсорбції збільшується, залишаючись весь час від'ємною. Такий тип адсорбції харак­терний переважно для багатокомпонентних систем іоногенних ПАР і тільки для деяких неіоногенних. Результат олеофілізащї глинопорошку неонолом В-1020-12 автори пов'язують із властивістю окремих неіоногенних ПАР утворювати іони оксонію

(-СН₂ - О-СН₂ -)⁺ ОН^-,

│

Н

що спричинює адсорбцію, подібну адсорбції катіонних ПАР.

На вагомість факторів термостійкості, солестійкості, адсорбційної активності синтетич­них поверхнево-активних речовин при їх виборі для окремих цілей застосування вказували ба­гато дослідників, зокрема Кравченко І.І., Амін В.А., Бабалян Г.А., Генкіна Б.І.. Крезуб А.П., Круглицький М.М., СкальськаУ.Л., Овчаренко Ф.Д та інші.

Наводячи результати дослідження адсорбційної здатності різних типів ПАР на різних породах, що складають нафтоносні пласти (кварцовий пісок, вапняк, доломіт) дослідники стверджували, що адсорбційна здатність неіоногенних ПАР вища ніж іоногенних, а величина адсорбції аніонних ПАР нижча, ніж катіонних.

З врахуванням відомих обмежень щодо збереження активності аніонних ПАР (нестійкість до дії солей полівалентних металів) і неіоногенних ПАР (нестійкість до дії підвищених температур ) вивчали властивості їх композицій. Із практики відомо, що суміші ПАР дають можливість одержувати системи з новими властивостями, а в окремих випадках - із синергетичним ефектом.

У лабораторній практиці ефективність ПАР оцінюють, головним чином, за величиною міжфазного натягу фільтрату промивальної рідини і за їх адсорбційною здатністю. Разом з тим відомо, що вплив ПАР на реологічні, антифільтраційні та інші властивості промивальних рідин може бути і негативним. Так, додавання сульфонолу в кількості, необхідній для зниження міжфазного натягу фільтрату, може спричинювати ріст в'язкості, спінення. У присутності солей полівалентних катіонів сульфонол (залежно від кількісного вмісту додатків) може утворі багато осаду.

Крім пошуку ефективніших аніонних ПАР здійснювали пошук ефективних сумішей аніонних ПАР з неіоногенними.

Міжфазний натяг водних розчинів сумішей ПАР вимірювали на межі з гасом сталагмометром УфНДІ. З аніонних ПАР брали сульфонол НП-1 і тіпол сланцевий, з неіоногенних - сольван 4411 і превоцел W-ON. Зміни величин міжфазного натягу (δ) зазначених ПАР та їх композицій представлені у таблиці 4.1.

Як видно з таблиці 4.1, ефективніше знижують міжфазний натяг композиції неіон о генних ПАР з тіполом. Зниження значень міжфазного натягу більше у композиції тіпол + превоцел (1:1) - у 5,8 разів, у випадку композиції тіпол + дисольван (1:1) - у 4,1 рази.

 

Таблиця 4.1- Вплив CaCl₂ на зміну поверхневого натягу 0,25%-них розчинів ПАР та сумішей

 

ПАР і їх суміші	Співвідно- шення ПАР,%	δ, 10^-3 мН/м
Без СаСІ2	0,25% СаСІ 2	0,5% СаСІ2
Сульфонол	-	5,53	3,32	3,16
Тіпол	-	7,04	6,22	6,19
Дисольван	-	6,41	6,32	6,33
Превоцел	-	2,49	2,50	2,49
Сульфонол+дисольван	1:1	5,27	5,20	5,20
Сульфонол+дисольван Ьонол + дисольван	1:4	5,0	5,49	6,94
Сульфонол+дисольван	4:1	6,30	6,32	7,24
Сульфонол+превоцел юнол + превоцел	1:1	2,14	2,16	2,04
Сульфонол+превоцел	1:4	1,63	1,66	1,63
Сульфонол+превоцел	4:1	4,0	4,46	4,38
Тіпол + дисольван	1:1	1,63	1,61	1,62
Тіпол -і-дисольван	1:4	1,08	3,21	4,18
Тіпол + дисольван	4:1	3,26	3,36	3,57
Тіпол + превоцел	1:1	0,82	1,00	1,00
Тіпол + превоцел	1:4	0,64	0,63	0,61
Тіпол + превоцел	4:1	0,.44	5,20	5,05

 

Із композицій сульфонолу з неіоногенними ПАР найбільше зниження міжфазного натягу спостерігали для суміші сульфонол + превоцел (співвідношення 1:4) - у 2,5 рази.

Оскільки різниця у значеннях міжфазного натягу сумішей неіоногенних з аніонними ПАР при співвідношенні 4:1 і 1:1 невелика як за присутності, так і за відсутності електроліту (CaCl₂),то оптимальним слід вважати співвідношення 1:1.

Явище синергізму композицій, зазначених у таблиці 4.1, як щодо солестійкості, так і щодо термостійкості. Внаслідок дії солей полівалентних металів утворення осадів у розчинах сумішей ПАР не спостерігали. Помутніння їх прісних і мінералізованих розчинів вище 100°С зауважували, в той час, коли для тих же концентрацій (1%-них) неіоногенних дисольвана і превоцелу температура помутніння була, відповідно, рівна 17 і 29^оС.

Крім вищевказаних властивостей вивчали вплив сумішей ПАР на структурні характеристики бурових промивальних рідин. Як видно із таблиці 4.2, суміші ПАР ефективно знижую тиксотропні властивості нафтоемульсійних дисперсій, що можна пояснювати особливостями адсорбції сумішей ПАР: у випадку аніонних ПАР адсорбція зводиться до іонного обміну, у ви­падку неіоногенних ПАР вона проходить за рахунок водневих зв'язків. Це забезпечує "нейтра­лізацію" коагуляційних зв'язків і відповідно підвищення стабілізації системи промивальної рі­дини, що позначається на зниженні статичної напруги зсуву і в різниці його значень через де­сять і через одну хвилину (таблиця 4.2).

 

Таблиця 4.2 - Вплив синергетичних сумішей ПАР на тиксотропні властивості досліджу­ваних систем

 

Досліджуваний розчин	t,°С	P, кг/м^3	В, см^3 за 30хв.	К, мм	СНЗ, дПа	рН	δ, 10^-3 мН/м	β, %
1хв.	10хв.
Вихідний			3,0	0,3	37,3	58,2	8,0	15,0	72,5
№1 + 1 % сульфонолу			3,0	0,5			8,5	10,6	70,0
Вихідний			2,5	0,2	0,0	4,9	9,0	16,7	69,1
№3 + 1%тіполу			2,0	0,2	2,4	6,2	9,0	7,3	74,7
Вихідний			3,5	0,5	84,6	98,3	8,0	18,5	69,5
№5 + 1% дисольвану			5,0	1,0	18,6	49,8	8,5	12,9	72,0
Вихідний			3,0	0,5			9,0	10,9	70,6
№7+0,5% дисо­львану + 0,5% сульфонолу			2,0	0,1	37,3	58,2	9,0	4,6	79,0
Вихідний			13,0	1,5			8,5	10,1	72,0
№9 + 0,5% дисольвану + 0,5%тіполу			6,0	0,5	26,1	34,8	8,5	3,0	81,3

 

Вперше обробку нафтоемульсійної промивальної рідини сумішшю ПАР здійснювали на буровій 130 - Північно-Долинська в інтервалі розкриття продуктивних пластів 2500-2874 м. Пі­сля додатку суміші ПАР показник міжфазного натягу фільтрату знизився до 4,1 мН/м, а коефі­цієнт відновлення проникності (β) зріс до 79,0%. Успішно закінчена бурінням і свердловина 148 - Північно-Долинська, на якій теж здійснювали обробку сумішшю ПАР. Пробурена ця све­рдловина без ускладнень і передана в експлуатацію з дебітом 25-30 т/д, що у 1,5-2,0 рази більше, ніж дебіти оточуючих свердловин.

Це дало підстави включити у регламенти будівництва свердловин на родовищах Прика­рпаття рецептури із застосуванням синергетичних композицій на основі неіоногенних і аніон­них ПАР.

При виборі оптимальних концентрацій необхідно враховувати ПАР в буровому розчині і в зоні проникнення фільтрату. Згідно з РД 39-0147009-510-85 розрахунок втрат проводять за формулою:

 

С₀ =ΔС_ад + ΔС_р + ΔС_н + ΔС_т, (4.1)

 

де ΔС_ад - втрати ПАР в фільтраті за рахунок адсорбції на поверхні бурового інструме­нту;

ΔС_р - втрати ПАР в фільтраті за рахунок розбавлення залишковою водою;

ΔС_н - втрати ПАР в фільтраті за рахунок розчинення певної її частини у нафті (властиво тільки оксиетильованим алкілфенолам типу ОП-7, ОП-10);

ΔС_т - втрати ПАР в буровому розчині за рахунок її адсорбції на твердій фазі.

Дослідження, що проводяться з метою поглибленого вивчення дії ПАР у полідисперсних системах, якими є промивальні рідини, вказують на необхідність при виборі ПАР зосере­джувати увагу на їх хімічній природі, зокрема, іоногенності та інших колоїдно-хімічних харак­теристиках. ПАР можуть суттєво змінювати блокуючу дію фільтратів промивальних рідин. Ефективність застосування кожного з типів ПАР залежить від їх індивідуальних властивостей, які проявляються комплексно внаслідок взаємодії ПАР з пористим середовищем і насичуючи­ми його флюїдами, а також взаємодії з реагентами, що складають рецептурубурової промива­льної рідини. Результатом взаємодії ПАР з компонентами промивальної рідини є побічні ефекти, що полягають у покращенні змащувальних, інгібуючих, антикорозійних, структурно-реологічних та інших властивостей.

Доцільність обробки конкретної рідини поверхнево-активною речовиною має бути обґрунтована величиною збільшення коефіцієнта відновлення проникності пласта [6].