Практически все нефтяные компании сталкиваются с проблемой прорыва воды, приводящей к высокой обводненности добывающего фонда скважин и низким значениям КИН. Особенно остро стоит вопрос для крупнейших месторождений, где обводненность продукции составляет более 75%, а в отдельных скважинах достигает 100% (Мирзоев и др., 2012). На данный момент нефтегазовые компании применяют различные технологии для борьбы с высокой обводненностью для повышения нефтеотдачи: закачка полимеров, сшитых полимерных систем, пен, различных дисперсных гелей, тампонажных растворов, осадкообразующих агентов и др (Литвин и др., 2009; Farajzadeh et al., 2012; Abdulbaki et al., 2014; Bai et al., 2015; Тома и др., 2017; Akbari et al., 2019; Кадыров и др., 2021).

Использование вышеперечисленных агентов ограничено их высокой стоимостью, эффективностью применения в достаточно узком диапазоне температур и минерализации. В некоторых исследованиях отмечается, что в ряде случаев применение традиционных полимеров и гелей в промысловых условиях иногда приводит к снижению фильтрационно-емкостных свойств (ФЕС) в низкопроницаемой не вскрытой нефтяной зоне. Кроме того, на результаты процесса закачки гелей влияют ограниченный контроль времени гелеобразования, трудности управления стабильностью и прочностью образующегося геля, адсорбция материала на поверхности породы, взаимодействие с пластовой водой, разбавление и деградация полимера в пласте (Goudarzi et al., 2014; Yu et al., 2018).

Альтернативой данным технологиям является использование предварительно сшитых гелевых частиц. Особенность данных реагентов в том, что они проникают вглубь пласта по высокопроницаемым зонам и при контакте с водой увеличиваются в объеме, но при этом не растворяются в воде, тем самым образуя полимерную пробку, перераспределяющую фильтрационные потоки (Guo et al., 2022).

Предварительно сшитые гелевые частицы, наряду с сшитыми полимерными системами, являются одним из наиболее широко применяемых агентов выравнивания профиля приемистости на обводненных зрелых нефтяных месторождениях Китая в виду его низкой чувствительности к температуре, солености, pH и H2S и низкой цене (Caili et al., 2010; Кетова и др., 2019; Yuan et al., 2020; Велиев, 2020). Так, в Китае проведено более 4000 закачек предварительно сшитых гелевых частиц для технологии выравнивания профиля приемистости, которые показали свою эффективность, как в широком диапазоне температур – 24–107 °С, так и минерализации 4,5–230 г/л (Esfahlan et al., 2021).

На первом этапе работ проводился синтез гелевых частиц для двух различных месторождений Волго-Уральской нефтяной провинции, характеризующихся высокой минерализацией пластовой воды – более 230 г/л (содержание ионов Ca2+ и Mg2+ более 10 г/л).

Синтез предварительно сшитых гелевых частиц осуществлялся по механизму радикальной полимеризации. Процесс включал следующие этапы: растворение различных мономеров в воде с последующим тщательным перемешиванием до полного растворения (варьирование мономеров акрилового ряда позволяет добиться более высокого коэффициента набухаемости). Использование чистой акриловой кислоты может привести к повышенным скоростям коррозии контактного оборудования, поэтому ее следует использовать с осторожностью (возможно дополнительно вводить в систему ингибиторы коррозии, нивелирующие данный эффект). На следующем этапе добавлялся сшивающий агент (для придания трехмерной структуры синтезируемому полимеру), и смесь перемешивалась 15 мин в атмосфере азота (для предотвращения окисления). Следует отметить, что характер сшивателя сильно влияет на стабильность конечных частиц при их применении по назначению – использование амидных сшивателей позволяет получить более стабильные частицы, в отличие от сложноэфирных. Таким образом такого рода сшиватели можно использовать при получении частиц для высокотемпературных месторождений. И наоборот – для низкотемпературных лучше подходят сложноэфирные. С другой стороны, на набухаемость и стабильность влияет не только тип сшивателя, но и его количество – так при получении гелевых частиц с низким содержанием сшивающего агента наблюдаются повышенные значения набухаемости и пониженные стабильности. После этого вводили модификаторы прочности и смесь перемешивалась до получения гомогенного раствора. Добавление инициатора полимеризации запускало быструю полимеризацию с образованием объемного геля в течение 5 мин. Для полного завершения полимеризации реакционную смесь выдерживали 24 часа при комнатной температуре. После этого гель измельчали, высушивали при 60 °C и просеивали для получения частиц различного размера, которые затем использовались в экспериментах.

Способность к набуханию в воде в основном обусловлена гидрофильными группами в молекуле полимера. Таким образом, количество гидрофильных групп и размер ячейки 3D-сшитого геля оказывают значительное влияние на набухаемость. Ввиду этого, увеличение концентрации сшивателя в реакции гелеобразования участвует больше гидрофильных групп, что приводит к снижению гидрофильности. В то же время, из-за стерических препятствий, при слишком высокой концентрации сшивателя, а также подложки модификатора адсорбционная емкость снижается. Введение модификатора прочности позволяет упрочнить сшитую 3D структуру, но в тоже время, влияет на плотность полученного агента и его цвет.

Свойства синтезированных агентов представлены в табл. 1.

Для данных реагентов были изучены: адсорбционная емкость, прочностные свойства, обоснован выбор оптимального размера частиц с учетом ФЕС коллектора для 4 видов предварительно сшитых гелевых частиц с различными видами неорганических добавок, синтезированных в лаборатории «НИЛ методов увеличения нефтеотдачи» Казанского (Приволжского) федерального университета.

Адсорбционная емкость и долгосрочная стабильность предварительно сшитых гелевых частиц определялись массовым методом (Saghafi et al., 2016; Farasat et al., 2017). Методика измерений заключалась во взвешивании образцов гелевых частиц одной фракции (до 0,2 мм) до и после набухания в модели пластовой воды и в вычислении адсорбционной емкости по формуле:

, (1)

где α – адсорбционная емкость; mo – навеска исходных гелевых частиц; m – навеска гелевых частиц после взаимодействия с водой.

Результаты экспериментов представлены на рис. 1.

По результатам исследований адсорбционной емкости предварительно сшитых гелевых частиц при фракции до 0,2 мм можно сделать вывод о том, что выбор неорганических добавок для синтеза реагента сильно влияет на кинетику взаимодействия гелевых частиц с водой. Как видно из результатов, наибольшее увеличение адсорбционной емкости происходит в течение первых 12–24 часов с дальнейшим выходом на плато, что говорит о долгосрочной стабильности агентов. Наилучший результат среди всех агентов при фракции до 0,2 мм зафиксирован у образца 4–7,69 г/г, характеризующийся гидроалюмосиликатной подложкой. Данный образец был выбран для дальнейших исследований. Фотографии исходных и набухших предварительно сшитых гелевых частиц представлены на рисунке 2.

На следующем этапе работ проводилась оценка оптимального размера гелевых частиц №4, фракцией до 0,2 мм, для коллекторов, с различной проницаемостью (40; 1000 и 3000 мД), на основе фильтрационных исследований на насыпных моделях, основные свойства которых представлены в табл. 2.

Измерение перепада давления при закачке гелевых частиц с различным размером частиц посредством фильтрационных экспериментов позволяет определить возможности закачки и оценки блокирующей способности, а также позволяет подобрать оптимальный диапазон размеров частиц.

Если размер частиц слишком мал, перепад давления будет минимален, при этом блокирующая способность минимальна и существует высокая вероятность выноса гелевых частиц и их проявления в добывающих скважинах; если размер частиц слишком большой, перепад давления возрастет до очень высокого значения, блокирования лишь призабойной зоны; оптимальный размер частиц характеризуется блокированием высокопроницаемого участка, с последующим задействованием в разработке низкопроницаемой зоны.

Для обоснования оптимального размера частиц проводились фильтрационные эксперименты на насыпной модели на фильтрационной установке, схема которой представлена на рис. 3.

В начале эксперимента водонасыщенный образец насыпной модели, донасыщается модельной водой при пластовых условиях.

Закачка гелевых частиц при скорости фильтрации 0,5 мл/мин c фиксацией изменения давления. Определение давления закачки и после стабилизации флуктуаций давления, фиксируется перепад давления.

Результаты экспериментов представлены на рис. 4.

Как видно из результатов, для коллектора с проницаемостью 40 мД (рис. 4В) происходит полная блокировка коллектора при фильтрации частиц через насыпную модель, размеры поровых каналов несопоставимо малы с размерами частиц. В случае с проницаемостью 3000 мД (рис. 4А) применение гелевых частиц не позволяет заблокировать поровые каналы, что видно по кривым давления. При исследованиях на моделях с проницаемостью 1000 мД (рис. 4Б) наблюдается постепенное увеличение и выход давления на плато, что говорит о блокировании высокопроницаемых участков и вовлечение в процесс фильтрации низкопроницаемых каналов.

По результатам экспериментов оптимальным размером гелевых частиц №4 для коллекторов проницаемостью около 1000 мД является – до 0,2 мм.

На следующем этапе проводилось исследование на керновом материале изучаемого месторождения. Основные свойства модели представлены в табл. 3.

В начале эксперимента образец керна помещаетсяся в кернодержатель, насыщается модельной водой при различных режимах подачи, охватывающих диапазон возможных изменений скорости потока жидкости, соответствующих реальным режимам фильтрации, (линейная скорость не превышает 5 м/сут) при пластовых условиях (температуре и давлении) c фиксацией изменения давления.

На следующем этапе производится закачка гелевых частиц №4, фракцией до 0,2 мм и концентрацией 0,5% масс. c фиксацией изменения давления. Определение давления закачки и после стабилизации флуктуаций давления, фиксируется перепад давления для определения проницаемости и коэффициента сопротивления (FR).

Закачка проводится с фиксацией изменения давления, после стабилизации флуктуаций давления, фиксируется перепад давления для определения коэффициента остаточного сопротивления (FRR).

Для определения коэффициента сопротивления (FR), который указывает на способность снижать коэффициент подвижности, используется отношение подвижности воды к подвижности гелевых частиц и, согласно формуле Дарси, можно получить по формуле:

(2)

где ΔPw – перепад давления после стабилизации при закачке воды; Qw – расход модели пластовой воды; ΔPр – перепад давления после стабилизации при закачке гелевых частиц; Qp – расход при закачке гелевых частиц.

Для определения способности раствора частиц снижать проницаемость породы рассчитывается коэффициент остаточного сопротивления (FRR):

(3)

где Kf – проницаемость по воде после закачки частиц мД; Kw – проницаемость по воде до закачки частиц, мД.

Результаты фильтрационных исследований представлены в табл. 4 и на рис. 5.

На рисунке 5 приведена кривая перепада давления при фильтрационном исследовании. Во время фильтрации воды после закачки гелевых частиц выход на стабильное значение депрессии в 8 атмосфер происходит в течение 1 п.о. воды, что обуславливает блокирование высокопроницаемых зон и вовлечение в процесс фильтрации до этого незадействованных низкопроницаемых зон.

На основании лабораторных исследований была оценена эффективность применения гелевых частиц, что позволило рекомендовать проведение опытно-промышленных испытаний на исследуемых эксплуатационных объектах.

В рамках ОПИ были выполнены две закачки предварительно сшитых гелевых частиц №4 в нагнетательные скважины, характеристики целевых интервалов воздействия которых представлены в табл. 5. Основной целью проведенных работ было выравнивание профиля приемистости пласта для повышения эффективности разработки месторождения.

При выполнении технологического процесса подготовки и закачки предварительно сшитых гелевых частиц было использовано следующее оборудование (рис. 6):

– комплект оборудования для обвязки арматуры скважин;

– передвижная установка КУДР (комплексная установка дозирования реагентов) (предназначена для смешения предварительно сшитых гелевых частиц и пластовой воды ППД);

– насосный агрегат типа ЦА – 320 (для определения приемистости скважины перед проведением закачки, проведения закачки);

– автоцистерна (для подвоза воды).

Закачка предварительно сшитых гелевых частиц производилась по технологии, описанной ниже:

– закачка воды ППД в объеме 30–40 м3 для выхода скважины на режим;

– определение приемистости скважины на режиме 5, 7, 10 м3/час;

– закачка гелевых частиц с минимальной концентрацией в объеме 10 м3 с целью экспресс-оценки динамики изменения давления;

– закачка планового объема предварительно сшитых гелевых частиц;

– продавка закачанного состава водой ППД.

В ходе проведения ОПИ закачка осуществлялась в проточном режиме с подачей в закачиваемую воду гелевых частиц для высокоминерализованных сред в концентрации 0,1–0,8% масс. и с расходом не более 5 м³/час, с учетом динамики изменения давления закачки. Основным критерием оценки эффективности ОПИ являлась динамика изменения давления закачки. При достижении максимально возможного давления на эксплуатационную колонну закачка предварительно сшитых гелевых частиц прекращалась, после чего проводилась продавка состава водой системы ППД. Результаты изменения давления в ходе работ по выравниванию профиля приемистости представлены на рисунках 7–8.

В ходе проведения ОПИ предварительно сшитые гелевые частицы продемонстрировали свою эффективность за счет блокировки высокопроницаемых зон пласта, что подтверждается динамикой изменения давления закачки.

Следует отметить, что при закачке воды в скважину №1 рост давления не наблюдался, что свидетельствует о высокой приемистости коллектора. Это и характерно для терригенных коллекторов, которые обычно представляют собой поровые пласты с относительно однородными порами и каналами, диаметры которых мало отличаются друг от друга. Они характеризуются более высокой пористостью и проницаемостью, что обеспечивает высокую приемистость и более равномерное движение флюидов по матрице пласта.

Поэтому только при воздействии предварительно сшитыми гелевыми частицами с максимальной постоянной концентрацией 0,8% удалось заблокировать высокопроницаемые промытые участки пласта и повысить давление закачки до 72 атм в данном коллекторе. Таким образом, результаты закачки предварительно сшитых гелевых частиц в терригенный коллектор подтверждают перераспределение фильтрационных потоков, а также увеличение охвата пласта процессом вытеснения нефти за счет вовлечения низкопроницаемых зон в разработку.

При проведении закачки №2 на карбонатном объекте осуществлялось ступенчатое увеличение концентрации предварительно сшитых гелевых частиц в потоке с 0,1 до 0,8% масс. Максимальное достигнутое давление закачки стабилизировалось на уровне 90 атм, что свидетельствует о формировании эффективного экранирующего барьера в высокопроницаемых зонах.

Карбонатные коллекторы, напротив, имеют сложную пористую структуру, включающую микрокаверны, трещины и микроканалы, причем диаметры каналов часто на порядок меньше каверн. Это приводит к более низкой проницаемости матрицы, несмотря на достаточную пористость. Кроме того, карбонаты обладают выраженной трещиноватостью и зональной неоднородностью по емкостно-фильтрационным свойствам.

В карбонатных коллекторах трещины и каверны формируют основные каналы для движения флюидов, особенно в плотной и малопроницаемой матрице. Трещиноватость обеспечивает высокопроницаемые пути, но при этом матрица остается с низкой проницаемостью, что создает значительную неоднородность потока и сложность в контроле за движением флюидов.

Полученные результаты подтверждают высокую эффективность применения технологии закачки гелевых частиц. Это позволяет рассматривать данную методику для широкого внедрения на нефтяных месторождениях, находящихся на поздней стадии разработки, с целью увеличения охвата пласта вытеснением нефти и повышения эффективности заводнения. В настоящее время ведутся работы по оценке изменения обводненности и анализа дополнительной добычи нефти на добывающих (реагирующих) скважинах. Полученные данные позволят оценить эффективность проведенных мероприятий и определить перспективы дальнейшего применения технологии закачки предварительно сшитых гелевых частиц для повышения нефтеотдачи пласта.

Применение предварительно сшитых гелевых частиц является перспективной технологией для выравнивания профиля приемистости. Лабораторные и промышленные опыты показывают их эффективность применения на месторождениях с высокой минерализацией (более 230 г/л). По результатам исследований установлено, что Образец №4 способен увеличиваться по массе более чем в 7 раз и сохранять свои тампонирующие свойства в течение 180 дней. Применение предварительно сшитых гелевых частиц, способных увеличиваться в массе более чем в семь раз и сохранять тампонирующие свойства до 180 дней, является перспективным для выравнивания профиля приемистости на месторождениях с высокой минерализацией. Оптимальные концентрации составляют до 0,8% для терригенных коллекторов, что обеспечивает значительное повышение давления закачки и блокирование промытых зон. Для карбонатных коллекторов эффективна ступенчатая обработка с концентрациями от 0,1 до 0,8%, позволяющая сформировать экранирующие барьеры в трещиноватых зонах и снизить приемистость. Особенности строения коллекторов диктуют необходимость адаптированных подходов: терригенные пласты характеризуются однородной пористостью и высокой приемистостью, что облегчает перераспределение потоков, тогда как карбонатные требуют поэтапного формирования барьеров из-за сложной трещиноватой структуры. Таким образом, технология закачки предварительно сшитых гелевых частиц эффективно повышает охват пласта и нефтеотдачу на поздних стадиях разработки.

Работа выполнена за счет средств Программы стратегического академического лидерства Казанского (Приволжского) федерального университета (ПРИОРИТЕТ-2030).

Авторы выражают благодарность рецензентам за ценные замечания и предложения, которые способствовали улучшению работы.