Экспериментальное исследование влияния коллоидных систем с наночастицами на фильтрационные характеристики трещин гидравлического разрыва пласта

Современный мировой уровень развития экспериментальных методов моделирования фильтрации жидкостей в пористых средах позволяет исследовать процессы фильтрации с высокой степенью приближенности к природным условиям залегания подземных пластов [1–9]. Постоянное совершенствование и развитие данного направления экспериментальных исследований обуславливается совершенствованием государственных стандартов в области промышленной безопасности и охраны

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ окружающей среды, а также поддерживается требованиями промышленных предприятий к качеству результатов лабораторных исследований и постоянно растущим спросом нефтегазодобывающей промышленности на разработку новых водоограничивающих составов и технологий их применения в скважинах с ГРП [10–14]. К примеру, на сегодняшний день, в Российской Федерации большинство предприятий нефтегазодобывающей промышленности установили локально-нормативные требования к перечню и методикам лабораторных испытаний новых химических продуктов. В рамках данных требований новая химическая продукция, предназначенная для закачки в подземные пласты, должна быть испытана на предмет совместимости с технологическими жидкостями, пластовыми флюидами, горными породами и расклинивающими материалам, а также оценена с точки зрения влияния на фильтрационно-емкостные характеристики трещин ГРП в условиях, максимально приближенных к пластовым.

Результаты исследований, представленные в статье, получены в рамках реализации опытно-промышленных проектов по внедрению водоограничивающего агента в виде эмульсионной системы с наночастицами [15–18], а также блокирующего агента в виде эмульсионно-суспензионной системы с наночастицами [19] на ряде нефтегазовых месторождений Российской Федерации. Геолого-физические характеристики нефтегазоносных пластов рассматривае- мых месторождений характеризуются значительной разницей в пластовых температурах от 22 до 98оС и давлениях от 8 до 39 MPa. С целью моделирования пластовых условий трещин гидравлического разрыва пласта (ГРП) в экспериментах применялся пропант марки CarboProp фракции 16/20 для объектов СТур Абдуловского и СБАШ Югомашевского месторождений, CarboProp фракции 20/40 для пластов ЮС-2, ЮС-4 Тортасинского месторождения.

МЕТОДИЧЕСКАЯИ ПОДГОТОВИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

На этапе подготовки материалов и технологических жидкостей к проведению экспериментов производили приготовление следующих лабораторных образцов коллоидных систем: эмульсионная система с наночастицами двуокиси кремния (ЭСН), применяемая в качестве водоограничивающего агента в технологиях интенсификации добычи нефти и увеличения нефтеотдачи; эмульсионно-суспензионная система с наночастицами двуокиси кремния (ЭСС), применяемая в качестве блокирующей пачки в процессах строительства и подземного ремонта нефтяных и газовых скважин. Информация по содержанию водной и твердой фаз в составах образцов приведена в табл. 1.

Краткая характеристика пластовых условий Юго-машевского, Абдуловского и Тортасинского нефтегазовых месторождений приведена в табл. 2.

Таблица 1

Содержание наночастиц двуокиси кремния и воды в составах лабораторных образцов коллоидных систем

Наименование образца	Содержание наночастиц двуокиси кремния, % об.	Содержание модели жидкости глушения, % об.
ЭСН-1	0,5	81,5
ЭСН-2	1,0	71
ЭСС-1	0,5	89,5
ЭСС-2	1,5	85,5

Таблица 2

Краткая характеристика пластовых условий Югомашевского, Абдуловского и Тортасинского нефтегазовых месторождений

Месторождение	Объект/пласт	Горные породы	Пластовое давление, МПа	Температура, оС	Фракция пропанта
Абдуловское	С Тур	Карбонатные	8,0	27	16/20
Югомашевское	с БАШ	Карбонатные	8,0	22	16/20
Тортасинское	ЮС-2/ЮС-4	Терригенные	35,5/39,5	97,8/98	20/40

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Методика определения насыпной плотности пропанта

Определение насыпной плотности пропанта проводили согласно ГОСТ Р 51761-2013 «Пропанты алюмосиликатные. Технические условия» [20]. Исследования и расчеты выполнялись с учетом ГОСТ 8.417-2002 «Межгосударственный стандарт. Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы величин» [21].

Эксперименты по определению насыпной плотности пропанта проводили при комнатной температуре. В воронку, выходное отверстие которой было закрыто резиновым стопорным шариком, насыпали 150 см3 пробы для испытаний. Под центром выходного отверстия воронки помещали калиброванный цилиндр. Перемещая резиновый шарик влево или вправо, выпускали весь объем пропантов в цилиндр. Излишек пропанта в калиброванном цилиндре аккуратно снимали стеклянной пластиной по кромке цилиндра без встряхивания и трамбования. Взвешивали калиброванный цилиндр с пробой и стеклянной пластиной, записывали массу в граммах.

Насыпную плотность ρнсп вычисляли по формуле (1):

где m _о.п. – общая масса цилиндра с пробой и пластиной, г;

m _о.с. – общая масса сухого цилиндра и пластины, г;

• V – объем цилиндра, см³.

За результат определений принимали среднее арифметическое значение результатов двух параллельных испытаний.

По результатам исследований насыпная плотность пропантов марки CarboProp фракции 20/40 составила 1,52 г/см3, а фракции 16/20 – 1,39 г/см3.

Методика определения остаточной проводимости модели трещины ГРП

Эксперименты по определению проводимости модели трещины ГРП (пропантная упаковка) проводились согласно стандарту ISO 13503-5:2006 [22].

Перед проведением экспериментов производили подготовку пластин керна «Ohio» и рабочего раствора – 2% водный раствор хлорида калия.

Пластины помещали в специальную ячейку, заполняли пустотное пространство между стенками ячейки и пластинами керна двухкомпонентным герметиком. Далее вакуумировали ячейку в течение часа, затем помещали в термошкаф с температурой 75оС на 4 часа, для вулканизации состава. После из- влечения пластин керна из термошкафа излишки состава удалялись, оставляя тонкий слой по торцам образца.

С целью снижения коррозионной активности рабочего раствора проводили вакуумирование 2% водного раствора хлорида калия в течение 3 часов, затем производили насыщение азотом в течение не менее 1 часа. Данную процедуру проводили не менее 3 раз.

После проведения подготовительных работ начинали проведение теста по определению остаточной проводимости модели трещины ГРП в указанном ниже порядке.

В ячейку для исследования проводимости про-пантной упаковки помещали керн «Ohio», между пластинами засыпали пропант марки CarboProp соответствующей фракции с необходимой концентрацией пропанта. Расчет количества пропанта производили по формуле (2):

Мп = 6,452•С,                             (2)

где Мп – масса пропанта, г;

С – нагрузка на пропант, кг/м2.

Ячейка с пропантом и керном помещалась в пресс, подсоединялись датчики деформации, трубки подачи флюида и датчики измерения перепада давления. Производили нагрев и стабилизацию всей системы до пластовой температуры. Схема модели трещины ГРП (пропантной упаковки) приведена на рис. 1.

Далее производили первоначальное нагружение системы до значений 6,9 МПа, проверку герметичности сборки с давлением прокачки 3,45 МПа. После проверки на герметичность насыщали пропантную пачку раствором хлорида калия. После выдержки в течение 12 часов проводили измерение ширины, проводимости и проницаемости пропантной упаковки при разных расходах прокачки рабочего флюида.

Фильтрационные характеристики пропантной упаковки определяли в течение 1 ч (до стабилизации перепада давления). Проводимость пропантной упаковки замеряли на скоростях потока, соответствующих перепаду давления от 0,01 до 0,03 кПа. Проводимость рассчитывали по формуле (3)

kW _у = 5,554•µ• Q • L /∆ P ,                    (3)

где kW _у – проводимость пропантной пачки, мкм²•см;

µ – вязкость испытательной жидкости при температуре испытания, сПз;

Q – расход, см³/мин;

∆ P – перепад давления, кПа;

L – длина между портами, см.

Проницаемость рассчитывалась по формуле (4):

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

Рис. 1. Схематическое изображение модели трещины ГРП

k = 100•µ• Q • L •[ w •(∆ P )• W _у],               (4)

где k – проницаемость пропантной пачки, мкм²;

µ – вязкость испытательной жидкости при температуре испытания, сПз;

Q – расход, см³/мин;

∆ P – перепад давления, кПа;

L – длина между портами, см;

W _у – ширина пропантной пачки, см;

w – ширина ячейки, см.

Далее производили подъем давления смыкания трещины до величины эффективного напряжения смыкания, равного 20 МПа, с последующей выдержкой в течение 48 часов. Измеряли ширину, проводимость и проницаемость пропантной упаковки при разных расходах прокачки рабочего флюида. Рассчитывали проводимость и проницаемость пропантной пачки по формулам (3) и (4).

Далее прокачивали блокирующий состав в объеме 200 см3. Производили технический отстой в течение 2 часов и процедуру промывки пропантной упаковки путем фильтрации рабочего раствора в объеме 1000 см3 при расходе 5 см3/мин при постепенном наращивании давления на входе в трещину до максимального или давления прорыва воды с фиксацией динамики процесса.

Проводили измерение проводимости и проницаемости пропантной упаковки при разных расходах прокачки рабочего флюида. Фильтрационные характеристики пропантной упаковки определялись в течение 1 ч (до установления перепада давления). Рассчитывали проводимость и проницаемость про-пантной пачки по формулам (3) и (4).

После замера проводимости и проницаемости про-пантной упаковки система переводилась в атмосферные условия, производили разборку и очистку ячейки.

По полученным результатам проводимости и проницаемости до и после фильтрации блокирующего состава производился расчет коэффициентов восстановления проводимости и проницаемости про-пантной упаковки по формулам (5) и (6):

K в kW у = kW у2 / kW у1 ,                            (5)

K в _k = k ₂ / k ₁,                                     (6)

где K в _{kW у} – коэффициент восстановления проводимости, %;

K в _k – коэффициент восстановления проницаемости, %;

kW _у1 – проводимость модели трещины ГРП до прокачки блокирующего состава, мкм²•см;

kW _у2 – проводимость модели трещины ГРП после прокачки блокирующего состава, мкм²•см;

k ₁ – проницаемость модели трещины ГРП до прокачки блокирующего состава, мкм²;

k ₂ – проницаемость модели трещины ГРП после прокачки блокирующего состава, мкм².

Фильтрационные эксперименты выполнялись на программно-измерительном комплексе ПИК-API-RP-61, предназначенном для измерения следующих фильтрационных характеристик пропантной упаковки в термобарических условиях:

• –    измерение долговременной проводимости;

• –    измерение остаточной проводимости;

• –    измерение остаточной проницаемости;

• –    испытания блокирующих составов и деструкторов в условиях, моделирующих пластовые;

  – сопротивление раздавливанию.

Установка позволяла проводить испытания при давлении смыкания до 100 тонн, максимальном давлении прокачки 10 МПа и температуре 150оС.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

РЕЗУЛЬТАТЫ И НАБЛЮДЕНИЯ

С целью исследования водоограничивающих свойств ЭСН, применяемой в технологиях интенсификации добычи нефти и увеличения нефтеотдачи пластов, было проведено два эксперимента по определению остаточной проводимости моделей трещин ГРП Югомашевского и Абдуловского нефтегазовых месторождений. В данных экспериментах поровое давление составляло 3,45 МПа. Условия проведения экспериментов и концентрация наночастиц в системах ЭСН-1 и ЭСН-2 приведены в табл. 1 и 2. Фотографии моделей трещин ГРП после разбора представлены на рис. 2.

Результаты экспериментов по исследованию влияния водоограничивающего агента ЭСН на фильтрационные характеристики моделей трещин ГРП приведены в табл. 3 и на рис. 3.

Образец ЭСН-1

Образец ЭСН-2

Рис. 2. Внешний ЭСН-1 и ЭСН-2 в моделях трещин ГРП после разбора

▲ 2	76738		86307
			। 1 |	1 1 1
	1	1
i ё О 5 1 co о С	1 1 j 3331 ЭСН-1	1 1 1 1	1 1 1 1 1     4809 ЭСН-2	=До 1         ■ После 1 1 1 1 1

Рис. 3. Оценка влияния ЭСН на проводимость моделей трещин ГРП Абдуловского и Югомашевского нефтегазовых месторождений (CarboProp 16/20)

Таблица 3

Оценка влияния ЭСН на фильтрационные характеристики моделей трещин ГРП Югомашевского и Абдуловского нефтегазовых месторождений

Наименование образца	Фракция пропанта	Давление в трещине, МПа	Проводимость, мД • м		Проницаемость, Дарси		Снижение проницаемости, раз
			До	После	До	После
ЭСН-1	16/20	8	76738	3331	1131	49	23
ЭСН-2	16/20	8	86307	4809	1365	77	18

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

По результатам проведения фильтрационных экспериментов определено, что системы ЭСН значительно ограничивают фильтрацию воды в высокопроницаемых моделях трещин ГРП, закрепленных пропантом CarboProp фракции 16/20 (рис. 3). Снижение проводимости и проницаемости моделей трещин ГРП составило: для ЭСН-1 в 23 раза; для ЭСН-2 в 18 раз.

С целью исследования блокирующих свойств ЭСС, применяемой в процессах строительства и подземного ремонта нефтяных и газовых скважин, было проведено два эксперимента по определению остаточ- ной проводимости моделей трещин ГРП Тортасин-ского нефтегазового месторождения. В данных экспериментах поровое давление составляло 3,45 МПа. Условия проведения экспериментов и концентрация наночастиц в системах ЭСС-1 и ЭСС-2 приведены в табл. 1 и 2. Фотографии моделей трещин ГРП после разбора представлены на рис. 4.

Результаты экспериментов по исследованию влияния блокирующего агента ЭСС на фильтрационные характеристики моделей трещин ГРП Тортасинского нефтегазового месторождения приведены в табл. 4 и на рис. 5.

Образец ЭСС-1

Образец ЭСС-2

Рис. 4. Внешний ЭСС-1 и ЭСС-2 в моделях трещин ГРП после разбора

▲	2430		2480
	1	1	1
2 5		1		—До
ё О 2 о с	1 1 36 ЭСС-1	1 1 1 1 1 1 1 1 —I____	10 ЭСС-2	|           ■ После 1 1 1 1 1 1 —1____

Рис. 5. Оценка влияния ЭСС на проводимость моделей трещин ГРП Тортасинского нефтегазового месторождения (CarboProp 20/40)

Таблица 4

Оценка влияния ЭСС на фильтрационные характеристики моделей трещин ГРП

Тортасинского нефтегазового месторождения

Наименование образца	Фракция пропанта	Давление в трещине, МПа	Проводимость, мД • м		Проницаемость, Дарси		Снижение проницаемости, раз
			До	После	До	После
ЭСC-1	20/40	19.9	2430	36	397	6	66
ЭСC-2	20/40	19.9	2480	10	389	2	237

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УЧЕНЫХ И СПЕЦИАЛИСТОВ

По результатам проведения фильтрационных экспериментов определено, что системы ЭСС эффективно блокируют фильтрацию воды в высокопроницаемых моделях трещин ГРП, закрепленных пропантом CarboProp фракции 20/40 (рис. 5). Снижение проводимости и проницаемости моделей трещин ГРП составляет: для ЭСС-1 в 68 и 66 раз; для ЭСС-2 в 238 и 237 раз соответственно.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты комплекса проведенных фильтрационных экспериментов позволили исследовать и оценить блокирующие свойства коллоидных систем, представленных эмульсионными и эмульсионносуспензионными системами с содержанием твердых наноразмерных частиц до 1,5% об. Определено, что фильтрация систем ЭСН и ЭСС в моделях сверхпро-водимых трещин ГРП с проницаемостью от 397 Дарси при пропанте CarboProp фракции 20/40 для Торта-синского месторождения до 1365 Дарси при пропанте CarboProp фракции 16/20 для Абдуловского и Югома- шевского месторождений приводит к существенному снижению фильтрационных параметров пропантной упаковки по водному раствору хлорида калия. Так, снижение проводимости моделей трещин ГРП для пропанта фракции 16/20 составляет 23 раза для образца ЭСН-1 и 18 раз для образца ЭСН-2, а для пропанта фракции 20/40 66 раз для образца ЭСС-1 и 237 раз для образца ЭСС-2. Данные результаты свидетельствуют о потенциально высокой технологической эффективности применения разработанных систем ЭСН и ЭСС в таких процессах разработки месторождений как интенсификация добычи нефти, увеличение нефтеотдачи, строительство и подземный ремонт нефтяных и газовых скважин. В зависимости от цели применения систем, решаемых задач и пластовых условий оптимальная концентрация наночастиц для ЭСН может находиться в интервале от 0,5 до 1,0% об., а для ЭСС в интервале от 0,5 до 1,5% об. Однако оптимальные концентрации как твердой, так и жидких фаз данных систем должны быть уточнены по результатам опытно-промышленных испытаний и промышленного масштабирования новых систем.