Использование газа
Азот и углекислый газ могут добавляться в жидкости разрыва (в меньших количествах, чем при создании пен) для снабжения жидкости энергией для облегчения ее выноса на поверхность после завершения ГРП. Например, ГРП с использованием пены может требовать 3500 ст.куб.футов N2/барр в жидкой фазе для образования стабильной пены в рабочих условиях, когда только 500-750 ст.куб.футов N2/барр достаточно для значительного облегчения выноса рабочей жидкости из скважины.
Добавки к жидкостям разрыва
Для получения желаемых характеристик данной жидкости разрыва существует несколько химических добавок. Из-за вероятной изменчивости (источники воды, температура и т.д.) на земном шаре, каждая жидкость разрыва должна иметь достаточную универсальность для возможности ее использования при различных условиях приготовления. Добавки помогают обеспечить необходимые свойства жидкости. Важно понимать назначение различных компонентов.
Следующие добавки характерны для большинства жидкостей разрыва на водной основе. Жидкости на нефтяной основе также содержат подобные добавки (за исключением стабилизаторов глин и бактерицидов):
гелеобразующие агенты
стабилизаторы глин
бактерициды
добавки для контроля уровня pH
сшиватели
понизители водоотдачи
разрушители
температурные стабилизаторы
ПАВ
Гелеобразующие агенты
Гелеобразующий агент – общий термин, используемый для описания загустителей, добавляемых в основную жидкость для обеспечения неньютоновской вязкости. Большинство гелеобразующих агентов, используемых в настоящее время, является полимерами, в первую очередь семейства полисахаридов. Полимеры могут быть изготовлены из природных материалов (таких как гуаровая смола) или синтетическим способом. Стоимость полимеров варьируется в зависимости степени обогащения конечного продукта и удаленности места проведения работ.
Природные полимеры (такие как гуаровая смола) - самые недорогие. Однако, количество остатков после разрушения геля (8-10% массы полимера) имеет значительное влияние на степень загрязнения проницаемости трещины. Для обеспечения минимального количества остатков гуаровый полимер химически перерабатывается для образования его производного. Чем больше степень сложности производства, тем выше стоимость производных полимеров. Например, добавление гидроксопропиловой группы в основную цепь гуарового полимера образует гидроксопропиловый гуар, который снижает количество остатков (5-6 % массы полимера). Дальнейшее преобразование дает карбоксиметил гидроксопропиловый гуар или карбоксиметиловый гуар, снижающий количество остатков до 1-2% от массы полимера.
Синтетические полимеры, такие как гидроксиэтилцеллюлоза и карбоксиметил гидроксиэтилцеллюлоза, могут быть использованы для ГРП. Эти добавки также используются для обеспечения вязкости буровых растворов. Синтетические полимеры ограничены в использовании при ГРП, так как их химический состав не такой универсальный, как у производного гуара и их стоимость значительно выше.
Вязкоупругие ПАВ также могут быть использованы для загущения жидкости разрыва. Эти материалы нашли широкое применение при загущении сильных кислот. Другие разновидности вязкоупругих ПАВ используются при ГРП с использованием проппанта. Вязкоупругие ПАВ обеспечивают хорошую транспортирующую способность и не оставляют осадков в трещине. Современные разновидности вязкоупругих ПАВ имеют недостаточную термическую стабильность, что ограничивает область их применения.
Концентрация полимеров выражается в фунтах на 1000 галлонов. Относительно небольшое количество полимеров может обеспечить значительное увеличение кажущейся вязкости жидкости разрыва. Например, обычная концентрация гелеобразующего агента изменяется в пределах от 20 фунтов/1000 галлонов до 60 фунтов/1000 галлонов при средней величине в 35 - 40 фунтов/1000 галлонов. Гелеобразующий агент, необходимый для конкретного типа операции, может быть определен путем моделирования ГРП и данных о реологических свойствах жидкости (величин n’ и K’), замеренных работниками сервисных компаний в пластовых условиях. Как правило, высокие пластовые температуры и длительность процесса закачки требуют более высоких концентраций полимеров для транспортировки проппанта, создания ширины трещины и т.д. Другие условия (размер НКТ, максимальное устьевое давление и т.д.) также влияют на определение концентрации гелеобразующих агентов.
Большинство гелеобразующих агентов на сегодняшний день доставляется на месторождения чаще как концентраты или гелевые растворы, чем порошкообразные соединения. Жидкий гелевый концентрат облегчает приготовление жидкости разрыва и увеличивает ее качество исключением комочков нерастворенного геля, которые образуются при использовании порошкообразных полимеров. Концентрат может содержать несколько дополнительных добавок для упрощения процедуры приготовления геля на месте полевых работ. Главным преимуществом использования жидких полимерных концентратов является, то, что если операция отменяется или прекращается преждевременно, возможно использование их остатков в других операциях.
Гелеобразующие агенты на нефтяной основе
Для увеличения вязкости дизеля, керосина и сырой нефти имеются в распоряжении различные добавки. Процесс гелеобразования для жидкостей на нефтяной основе обычно включает в себя использование жидкого эфира на основе фосфорной кислоты и щелочных компонентов. Как и для жидкостей на водной основе загущение нефти снижает потери давления на трение при закачке жидкости. Хотя операции с применением загущенной нефти производились в пластах с температурами, достигающими 300o F, практический предел применения существующих систем составляет 250o F.
Стабилизаторы глин
Так как пластовые глины обычно присутствуют в песчаных пластах, в основную жидкость разрыва обычно добавляют хлорид калия (KCl) или органический стабилизатор глин. Так или иначе, использование каких-либо добавок и их влияние на свойства жидкости должны быть учтены. Например, редко когда необходимо использование как хлорида калия, так и органического стабилизатора глин. Набухание глин предотвращается путем компенсирования несбалансированных зарядов ионов в глиняных пропластках. Если для этого используется KCl, то дополнительный стабилизатор глин вряд ли необходим. Для определения подходящей концентрации хлорида калия, добавляемого в основную жидкость, настоятельно рекомендуется повести исследования его совместимости с породой с использованием образцов керна. Эти исследования помогут определить восстановленную после контакта с различными жидкостями проницаемость породы. Набухание глин не вызывает беспокойства в известняках и доломитах, особенно при кислотном ГРП.
Бактерициды
Бактерициды являются химикатами, используемыми для уничтожения бактерий, присутствующих в источниках воды. Бактерициды являются наиболее эффективными, когда добавляются в пустые емкости перед разбавлением водой. Когда емкости, наполненные жидкостью, отстаиваются несколько дней, может быть необходимым проведение повторной их обработки. Бактерии теплого климата также могут вызвать проблемы в холодных жидкостях. Постоянная модернизация сервисными компаниями технологии подготовки жидкости (использование полимерных концентратов, подготовка геля перед его закачкой в пласт) позволяет минимизировать проблемы, вызванные бактериальным разложением.
Добавки для контроля pH
Качественная подготовка жидкости и ее закачка в пласт значительно зависит от кислотно-щелочного баланса жидкости. Например, когда используется жидкий полимерный концентрат, pH жидкости должен быть подобран так, чтобы полимер гидратизировал и обеспечивал необходимую вязкость. pH жидкости также должен быть подогнан к определенному интервалу, в котором происходит процесс сшивания. Контроль уровня pH достигается с помощью буферных агентов, таких как кислые соли, органические кислоты, и базируется на совместимости с гелеобразными системами.
Сшиватели
Как было сказано, гелеобразующие агенты являются полимерами. Полимеры, используемые при ГРП, представляют собой длинные молекулярные цепи, имеющие узлы для присоединения специальных добавок, называемых сшивателями. Сшиватели связывают полимерные молекулы друг с другом, образуя вязкий гель.
Обычными сшивателями являются бораты и органо-металлические сшиватели (такие как хроматы, титанаты и др.). Механизм сшивания изображен на рис.28.
Рис.28. Механизм сшивания жидкостей для а) боратных и b) органо-металлических сшивателей
Примечание: PSD - полисахарид, название химической группы для молекулы Маннозы (Целлюлозы)
Благодаря повышенной вязкости сшитые жидкости имеют высокую транспортирующую способность и определенные свойства водоотдачи. Для минимизации загрязнения трещины остатками полимера возможно снижение его концентрации (фунт/1000 галлонов). Современные сшитые жидкости создаются с помощью замедленных сшивателей, это позволяет закачивать жидкость практически до забоя перед началом процесса их сшивания. Это свойство позволяет снизить потери давления на трение при закачке жидкости в пласт и повысить термическую стабильность системы жидкости после завершения сшивания.
Понизители водоотдачи
Понизители водоотдачи добавляются в жидкость разрыва для обеспечения контроля водоотдачи. Добавки могут быть как твердыми, так и жидкими. Твердые понизители водоотдачи (такие как производные полимеров, бензинорастворимые резины или кварцевая мука) иногда необходимы для контроля начальных потерь жидкости в пласт при создании трещины. Так как твердые понизители водоотдачи вызывают некоторое повреждение проницаемости трещины, они должны быть использованы с осторожностью. Однако эффективная трещина с небольшим повреждением проницаемости вследствие контроля водоотдачи намного привлекательнее, чем короткая неразвитая трещина с минимальным количеством помещенного в нее проппанта, обусловленного преждевременным экранированием, вызванным повышенной водоотдачей.
Дизель и другие углеводороды, разработанные специально для контроля водоотдачи, могут быть успешно использованы с основной жидкостью в объемной концентрации 1-5%. Капли углеводородов диспергируются в жидкости разрыва и обеспечивают контроль водоотдачи, заполняя поровое пространство стенки трещины при фильтрации жидкости в пласт. В таком случае углеводороды извлекаются на поверхность вместе с деградированной жидкостью разрыва, обеспечивая минимальное загрязнение системы трещины.
Разрушители вязкости
Каждая гелеобразная жидкость, используемая при ГРП, имеет определенный тип разрушителя вязкости. Разрушители вязкости обычно представляют собой энзимы, окислители, органические кислоты или их комбинации. Разрушение геля – сложное событие, при котором разрушитель должен с одной стороны - достаточно медленно реагировать с жидкостью разрыва для поддержания стабильности при повышенных температурах, с другой стороны - действовать достаточно быстро для скорейшего возвращения скважины в эксплуатацию. Разрушение геля - это химическая реакция, которая зависит от температуры, времени и концентрации разрушителя.
Когда жидкость разрыва закачивается при температуре окружающей среды, происходят два события, влияющих на разрушение вязкости:
нагрев закачиваемой в пласт жидкости
охлаждение забоя и призабойной зоны при закачке холодной жидкости
Поэтому в заключительной стадии закачки жидкости концентрация разрушителя обычно увеличивается для облегчения разрушения вязкости жидкости и обеспечения возможности скорейшего возврата скважины в эксплуатацию после завершения ГРП.
Важно удостовериться в факте разрушения вязкости жидкости разрыва, для чего используются ее образцы, содержащие все химические добавки, проппант и разрушитель вязкости. Некоторые резиновые оболочки, используемые для покрытия проппанта, могут оказать пагубное влияние на вязкость жидкости, препятствуя действию сшивателей или разрушителей. (Обычно производится полевой тест на разрушение вязкости жидкости разрыва, при котором в водяную ванну помещается образец геля и наблюдается характер его разрушения при повышенных температурах.).
Температурные стабилизаторы
Для эффективного использования жидкостей разрыва на водной основе при температурах выше 250o F в их состав включаются температурные стабилизаторы. Так как гидролиз (разрушение) загущенной жидкости обычно происходит как окислительная реакция, температурные стабилизаторы и химические реагенты (такие как тиосульфаты или спирты) действуют как поглотители растворенного кислорода. Связывание кислорода, растворенного в жидкости, помогает замедлить разрушение ее вязкости и, следовательно, улучшить термическую стабильность. При использовании температурных стабилизаторов график добавления разрушителя должен быть подобран таким образом, чтобы обеспечить стабильность геля с хорошими деградирующими свойствами.
Поверхностно-активные вещества
Назначение поверхностно-активных веществ (ПАВ):
предотвращение образования вторичных эмульсий
улучшение очистки скважины после завершения ГРП
Неэмульгирующие ПАВ добавляются в жидкости разрыва, используемые при ГРП в нефтяных пластах. Неэмульгирующие ПАВ предотвращают образование вторичных эмульсий при смешивании с пластовыми флюидами.
ПАВ снижают поверхностное натяжение жидкости разрыва, поэтому также применимы для ГРП в газовых скважинах. ПАВ способствуют улучшению очистки скважины после возвращения скважины в эксплуатацию после ГРП.
В зависимости от химического состава некоторые ПАВ могут быть катионными или анионными, влияя, таким образом, на смачиваемость песчаников (или карбонатов), контактирующих с содержащей ПАВ жидкостью. Множество современных ПАВ неионны и эффективны для снижения поверхностного натяжения жидкости, без изменения смачиваемости породы.
ПАВ обладают несколькими функциями (предотвращение образования вторичных эмульсий в нефтяных скважинах, снижение поверхностного натяжения жидкости в газовых скважинах). Также доступны ПАВ, разработанные специально для снижения поверхностного натяжения жидкости при ее использовании в газовых скважинах для повышения эффективности их очистки после ГРП.