ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛИКАТНЫХ НАТРИЕВЫХ ГЕЛЕОБРАЗУЮЩИХ СИСТЕМ

EXPERIMENTAL STUDY OF SILICATE SODIUM GEL-FORMING SYSTEMS

Lev Shiman

Student, Department of Oil and Gas Well Drilling, Tyumen industrial University,

Russia, Tyumen

АННОТАЦИЯ

С каждым годом становится всё труднее осуществлять добычу углеводородов. Из-за неоднородности коллекторов усложняется добыча нефти и газа, так как происходят досрочные порывы закачиваемых вод по высокопроницаемым участкам пласта, что в итоге приводит к обводненности добываемых углеводородов и снижению дебитов нефти и газа. В последние несколько десятков лет разработаны и проэкспериментированы различные технологические системы для внутрипластовой водоизоляции: сшитые полимерные системы, вязко-упругие составы, осадкогелеобразующие составы (латексы, нефелин, силикатно-щелочные и т. д.)

ABSTRACT

Every year it becomes more and more difficult to produce hydrocarbons. Due to the heterogeneity of reservoirs, oil and gas production becomes more difficult, as early gusts of injected water occur in highly permeable reservoir areas, which ultimately leads to water cut in produced hydrocarbons and a decrease in oil and gas flow rates. In the last few decades, various technological systems for in-situ waterproofing have been developed and tested: cross-linked polymer systems, viscoelastic compositions, sediment-gelling compositions (latexes, nepheline, silicate-alkaline, etc.).

Ключевые слова: гелеобразующие системы, жидкости затворения, ремонтно-изоляционные работы, силикатные жидкости, водоизоляционные работы.

Keywords: gel-forming systems, mixing liquids, repair and insulation works, silicate liquids, waterproofing works.

1.Общие сведения о применении силикатных натриевых гелеобразующих системах

В данной работе проведено экспериментальное исследование силикатных натриевых гелеобразующих систем. Данные составы широко применяются для интенсификации нефтеотдачи продуктивного пласта посредством внутрипластовой водоизоляции. Технология позволяет регулировать фильтрационные потоки внутри пласта путем использования изоляционного экрана и барьера, которые применяются на пути пластовых вод для того, чтобы изолировать и предугадать скорость и направление движения флюидов. Для использования данной технологии необходимо применение гелеобразующих составы, в основе которых присутствуют полимеры, жидкое стекло (силикаты) и растворы кислот, а также осадкообразующие системы. Достоинствами водоизоляционных составов является низкая вязкость, которая незначительно выше вязкости воды, высокая проникающая способность, низкая стоимость используемых материалов.

Широкое применение при проведении водоизоляции получил силикат натрия (жидкое стекло), данный реагент входит в основу гелеобразующего состава благодаря его способности образовывать осадок при закачивании составов, на его основе, в пласт. Это позволяет снизить проницаемость водоносных горизонтов. Закачивание гелеобразующего состава в пласт происходит после закачки водного раствора карбоната натрия. После чего состав на основе силиката натрия взаимодействует с молекулами воды в обводненной зоне пласта, тем самым закупоривая каналы перетоков пластовых вод. Из-за влияния минерализации пластовой воды на гелеобразующие составы на основе силиката натрия появилась необходимость добавления в состав соляную кислоту (в исследовании используется моногидрат лимонной кислоты из за его доступности и легкости в применении). Использование силиката натрия обусловлено водоизоляционным свойством: вариативность времени схватывания геля (время схватывания после введения состава в пласт не должно быть слишком большим или маленьким).

Присутствие полимеров в водоизоляционных составах позволяет придать упругие свойства силикатным гелям, благодаря чему увеличивается стойкость геля к механическим воздействиям. В экспериментальном исследовании в качестве полимера был применен полиакриламид из-за высокой степени загустевания раствора на основе силиката натрия и лимонной кислоты. Добавление полимера увеличивает прочностные характеристики гелеобразующего состава, что благоприятно сказывается на водоизоляционных работах проводимых в скважине. Применение полиакриламида затруднено его низкой растворимостью в силикатных составах, но имеется и положительное свойство, полимер совместим с силикатными составами при любой степени гидролиза. Немаловажным свойством полимера является его способность повышать вязкость гелеобразующего состава, но это не лучшим образом влияет на технологические качества состава. Таким образом оптимальная концентрация полиакриламида будет составлять около 0,05%, что должно благоприятно сказаться на прочности геля при небольшом увеличении вязкости. Наличие полимера в силикатном составе во много раз увеличивает прочностные характеристики и скорость загустевания состава по сравнению с составом без полимера.

Данная технология позволяет минимизировать добычу обводненной продукции, что позволяет увеличить нефтеотдачу пластов. Чтобы правильно подобрать состав для изолирования флюидов необходимо точно определить причину водопритока и отталкиваться от геологических особенностей месторождения. Данная технология имеет большой потенциал, но из-за ограничений по геолого-техничеким условиям трудна в применении к конкретным месторождениям.

2. Материалы используемые в экспериментальном исследовании

Для проведения экспериментального исследования силикатных натриевых гелеобразующих систем нам потребуются реагенты, представленные в таблице 1.

Таблица 1.

Материалы

3. Оборудование для приготовления силикатных натриевых гелеобразующих систем

Процесс приготовления гелеобразующих составов напрямую связан с подбором определенного оборудования для соблюдения всех параметров проведения экспериментального исследования.

1. Магнитная мешалка ПЭ-6110 200-2000 об/мин
2. Мерный стакан, химический стакан (100 мл, 600 мл);
3. 3-pH - метр;
4. Весы CAS SW-05

4. Экспериментальная процедура

4.1. Определение времени гелеобразования.

В данном исследовании время гелеобразования определяется как время, прошедшее между добавлением кислоты в состав силиката натрия, дистиллированной воды и полимера (общий вес 100 г) и закрытием вихря гелеобразующей смеси, пока стержень для перемешивания (2,5 см) вращается с максимальной скоростью (2000 об / мин). в стакане емкостью 100 мл.

Время гелеобразования состава определяется следующим образом:

1. Подготовка реагентов для приготовления гелеобразующего состава:

Раствор готовят путем добавления в емкость объемом 600 см3 дистиллированную воду, гранулы силиката натрия и перемешивают на мешалке с верхним приводом до 12000 об/мин, постепенно добавляя количество оборотов, чтобы предотвратить вытекание раствора из металлического стакана. В течении 6-ти часов перемешиваем смесь увеличивая обороты до максимального значения пока силикат натрия полностью не растворится;

2. Необходимо поместить мерный стакан объемом 100 мл на весы;

3. Произвести добавление необходимого количества дистиллированной воды (10мл);

4. Произвести добавление необходимого количества раствора с помощью шприца объемом 60 мл (если в составе раствора нет полимера, пропустите этот шаг);

5. Произвести добавление необходимого количества силиката натрия с помощью шприца объемом 60 мл;

6. Произвести взвешивание необходимого количества кислоты;

7. Необходимо поместить стакан на магнитную мешалку и начните перемешивать раствор постепенно увеличивая обороты;

8. Спустя 30 секунд необходимо постепенно начать добавлять кислоту, и начать отсчет времени;

9. Необходимо проверить температуру смеси;

10. Необходимо постоянно проверять образование геля, изменяя количество оборотов на магнитной мешалке. Когда вихрь закроется на максимальных оборотах, остановите время на секундомере и запишите его в секундах, это и есть «время гелеобразования».

2. Определение качества гелеобразования.

Качество геля - еще один важный параметр при выборе гелеобразующих составов для конкретных геологических условий. Качество геля оценивается с помощью кодов наблюдения, которые были определены в этом исследовании. Коды наблюдений и их описание приведены в таблице 2.

Таблица 2

Коды наблюдений

3. Водородный показатель кислотности (pH).

3.5 Расчет концентрации каждого компонента силикатных натриевых гелеобразующих систем

В данном исследовании все концентрации материалов в гелеобразующем составе выражены в процентах. Количество каждого реагента в «граммах» рассчитывается согласно заданной общей массе смеси, процентному содержанию каждого реагента и соотношению силикат / кислота.

Общее количество смеси (ОКС) = 100 г

Силикат натрия = 10%

Количество полимера = 0,15%

Соотношение силикат натрия / кислота (ССК); = 4%

Расчет количества раствора силиката натрия, раствора полимера и дистиллированной воды в гелеобразующем составе:

1 - Количество раствора силиката натрия в смеси (грамм):

Сначала необходимо рассчитать количество твердого силиката натрия в смеси, затем рассчитать необходимое количество раствора.

Силикат натрия (грамм) = ОКС * Силикат натрия (%) / 100

= 100*10/100

=10 грамм

В нашем случае силикат натрия находится в твердом виде, что упрощает расчет его количества в составе гелеобразующего раствора, он будет равен как расчитано выше 10 грамм. Раствор силиката натрия, использованный в этом исследовании, включает 36,81% общей твердой фракции силиката натрия (ОТФСН).

Количество раствора силиката натрия (грамм) = Силикат натрия (грамм) / ОТФСН (%) *100

= 10 /36.81 *100

=27.17 грамм Количество раствора силиката натрия

2 - Количество раствора полимера (грамм):

Сначала необходимо рассчитать количество сухого полимера в смеси, затем рассчитать необходимое количество раствора полимера.

Количество твердого полимера в смеси, грамм = ОКС * Количество полимера (%) /100

=100*0.15/100

= 0.15 грамм

Поскольку полимеры гидратируются в течение не менее 6 часов перед добавлением к гелеобразующей смеси, необходимо рассчитать количество раствора, обеспечивающего 0,15 г твердого полимера. Полимерные растворы, использованные в этом исследовании, имеют в составе 0,4% от общей твердой полимерной фракции (ОТПФ).

Количество раствора Полимера в смеси =Количество твердого полимера в смеси / ОТПФ (%)*100

= 0.15/0.4*100

= 37.5 грамм

3 - Количество кислоты в составе, (граммы):

Лимонная кислота (грамм) = Силикат натрия (грамм) / ССК

=10/4

= 2.5 грамм

4 - Количество дистиллированной воды в смеси, (грамм):

Дистиллированная вода (грамм) = ОКС – (Силикат натрия + раствор полимера + кислота)

=100-(27.17+37.5+2.5)

=32.83 грамма, количество дистиллированной воды в смеси.

3.6 Результаты экспериментального исследования силикатных натриевых гелеобразующих систем

Влияние концентрации силиката натрия и кислот на время гелеобразования и качество гелеобразования.

Силикат натрия Na₂O. (SiO₂). Доля твердых веществ в растворе составляет 36,81% по весу, который состоит из 28,09% SiO₂ и 8,72% Na₂O. молекулярное соотношение ([SiO/ Na₂O] 3,22). Концентрации силиката натрия 7,5% и 10%.

Соотношение силикат натрия / кислоты (ССК); представляет собой отношение количества силиката натрия к количеству кислот в смеси.

Результат взаимодействия силиката натрия с лимонной кислотой представлен в таблице 3.

Результат взаимодействия силиката натрия (монасил) с лимонной кислотой представлен в таблице 4.

Таблица 3.

Результат взаимодействия силиката натрия с лимонной кислотой

Таблица 4.

Результат взаимодействия силиката натрия (монасил) с лимонной кислотой

Заключение

В результате экспериментального исследования был проведен анализ параметров гелеобразующих составов исходя из соотношения силиката натрия и моногидрата лимонной кислоты, а также силиката натрия, и моногидрата лимонной кислоты, и полимера. В таблицах 62 и 63 приведены результаты взаимодействия данных реагентов, из таблиц видно как влияет соотношение частей каждого вещества на время гелеобразования и твердость полученного состава, которую мы можем определить по таблице 61. Исходя из результатов экспериментального исследования видно, что время гелеобразования зависит от процентного соотношения силиката натрия, моногидрата лимонной кислоты и полимера: при неизменной концентрации силиката натрия, добавляется разное количество лимонной кислоты (образцы 1,2), что влияет на время гелеобразования и показатель кислотности pH: 1-ый образец, содержащий 7,5% силиката натрия, 2% моногидрата лимонной кислоты в соотношении 3,75 без добавления полимера. Время гелеобразования составило 4 часа 18 минут 43 секунды, pH = 12 – системы, в которых набухание геля происходит в период времени от 4-х до 24-х часов, вероятность гелеобразования 100%, 2-ой образец, содержащий 7,5% силиката натрия, 3% моногидрата лимонной кислоты в соотношении 2,5 без добавления полимера. Время гелеобразования составило 8 часа 41 минут 30 секунды, pH = 11,8. На примере этих 2х образцов видно, что при увеличении концентрации лимонной кислоты, но при неизменной концентрации силиката натрия увеличивается время гелеобразования и уменьшается показатель кислотности pH. На примере образцов 3-6 можно увидеть зависимость изменения времени гелеобразования и показателя кислотности pH при добавлении полимера разной концентрации, таким образом в составах 3-6, содержится 10% силиката натрия, 4% моногидрата лимонной кислоты в соотношении 2,5. Полимер присутствует в 4,5,6 составах в концентрациях 0,05%, 0,10%, 0,15% соответственно, в 3-ей системе отсутствует полимер. Исходя из данных в таблице 62, полученных во время экспериментального исследования, можно сделать вывод, что при увеличении концентрации полимера в силикатных натриевых гелеобразующих системах уменьшается время гелеобразования и увеличивается показатель кислотности pH, что противоположно опытам, проведенным с образцами 1,2.

Проведенное экспериментальное исследование показало, что из-за возможности менять концентрацию компонентов в силикатных натриевых гелеобразующих системах позволяет подобрать оптимальный состав для любых условий, контролируя время гелеобразования, показатель кислотности pH, твердость продукта в конечной стадии загустевания геля от мягкого до жесткого хрупкого. Многообразие вариаций составов позволяет, при любых геолого-технических условиях предотвратить перетоки флюидов между проницаемыми пластами.

Список литературы:

1. Технология бурения нефтяных и газовых скважин [Текст]: Учебник для студентов вуза /под общ ред. В.П. Овчинников [и др.] -Тюмень: ТюмГНГУ, 2014.– Т.1-5.
2. Технология строительства нефтяных и газовых скважин. Учебник для студентов вузов.- В 5 т.-Т. 1/под общ. ред. В.П. Овчинникова.Тюмень: ТюмГНГУ, 2014.- 568 с.
3. ФНиП ПБ "Правила безопасности в нефтяной и газовой промышленности": Утв. Приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 15.12.2020. № 534: М.2020.-523 с.