Разработка реагента для селективной водоизоляции нефтяных пластов на основе наноструктурированного полиакриламида

Шувалов, Сергей Александрович

Разработка реагента для селективной водоизоляции нефтяных пластов на основе наноструктурированного полиакриламида тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.11 ВАК РФ

Шувалов, Сергей Александрович АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

02.00.11 КОД ВАК РФ

Диссертация по химии на тему «Разработка реагента для селективной водоизоляции нефтяных пластов на основе наноструктурированного полиакриламида»

Автореферат диссертации на тему "Разработка реагента для селективной водоизоляции нефтяных пластов на основе наноструктурированного полиакриламида"

На правах рукописи

ШУВАЛОВ СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРАБОТКА РЕАГЕНТА ДЛЯ СЕЛЕКТИВНОЙ ВОДОИЗОЛЯЦИИ НЕФТЯНЫХ ПЛАСТОВ НА ОСНОВЕ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО

ПОЛИАКРИЛАМИДА

Специальность 02.00.11 - Коллоидная химия

2 8 НОЯ 21Ш

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005540146

Москва-2013

005540146

Работа выполнена на кафедре физической и коллоидной химии федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина» (РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина).

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Винокуров Владимир Арнольдович

доктор химических наук, профессор

Магадова Любовь Абдулаевна

доктор технических наук, профессор кафедры технологии химических веществ для нефтяной и газовой промышленности

РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина

Матвеенко Владимир Николаевич

доктор химических наук, профессор кафедры коллоидной химии МГУ им. М.И. Ломоносова

ФГБОУ ВПО «Казанский Национальный Исследовательский Технологический Университет»

Защита состоится «12» декабря 2013 г. в 12.00 часов в ауд. 541 на заседании диссертационного совета Д 212.200.04 при ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет нефти и газа имени И. М. Губкина» по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский проспект, д. 65.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина.

Автореферат разослан «11» ноября 2013 г. Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.200.04, кандидат технических наук

Л. Ф. Давлетшина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы.

Увеличение коэффициента извлечения нефти (КИН) и снижение обводненности добываемой нефти являются приоритетными направлениями развития нефтяного комплекса России. В настоящее время эффективность нефтеизвлечения за счет применяемых методов считается неудовлетворительной, поэтому существует острая необходимость разработки и внедрения инновационных методов увеличения нефтеотдачи (МУН) продуктивных залежей.

Физико-химические МУН, применение которых дает около 80% от дополнительной добычи, являются наиболее распространенными в России. Реагенты на основе водорастворимых полимеров нашли широкое применение в процессах увеличения охвата пластов заводнением, выравнивания профиля приемистости и селективной водоизоляции. К основным недостаткам традиционных полимерных растворов относятся их низкая технологичность, необходимость использования дорогостоящих дозирующих устройств, ограниченность применения в осенне-зимний период, значительное ухудшение качества в результате механической (при прохождении через насосы), химической и микробиологической деструкции.

Увеличение доли низкопроницаемых коллекторов, содержащих до 40% остаточной нефти, предъявляет более высокие требования к применяемым полимерным реагентам и обусловливает необходимость разработки новых подходов к их созданию. С учетом того, что коэффициент извлечения нефти из низкопроницаемых коллекторов существенно ниже, чем из средне- и высокопроницаемых, особый интерес представляют наноразмерные реагенты, обладающие высокой проникающей способностью. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что существует возможность повышения КИН в неоднородных коллекторах с низкопроницаемыми участками за счет использования полимерных систем на основе нанореагентов. Таким образом, разработка реагентов на основе наноразмерных полимерных

материалов является одним из перспективных направлений совершенствования физико-химических МУН.

В связи с этим, разработка технологии получения сшитых полимерных реагентов с управляемым размером частиц в диапазоне от 40 нм до 2 мкм, позволяющих в равной степени эффективно обрабатывать как низкопроницаемые, так и среднепроницаемые коллекторы, представляет несомненный интерес. Предварительно сшитые полимерные нанореагенты, образующие гель на заданном расстоянии от призабойной зоны пласта, значительно меньше подвержены механической деструкции при прохождении через наземное оборудование.

В настоящее время для нужд нефтедобывающей промышленности, в основном, используются импортные полимеры, поэтому разработка отечественных реагентов на основе наноструктурированных сшитых полимеров и организация их производства в России является актуальной и важной задачей.

Цель работы.

Разработка нового эффективного реагента для повышения нефтеотдачи и селективной водоизоляции нефтяных пластов на основе наночастиц сшитого полиакриламида, синтезированного в обратной миниэмульсии под воздействием радиационного облучения.

Основные задачи исследования.

1. Исследовать существующие типы радиационно- и химически сшитых полиакриламидов (ПАА) с целью определения направлений совершенствования данного типа реагентов.

2. Изучить процессы получения нано- и микрочастиц ПАА полимеризацией в обратной миниэмульсии под воздействием радиационного облучения и их физико-химические характеристики.

3. Разработать методику синтеза стабильных дисперсий частиц сшитого полиакриламида заданного размера путем радиационной полимеризации в обратной миниэмульсии.

4. Оценить перспективы применения новых нано- и микродисперсий ПАА в нефтяной промышленности в качестве реагентов для повышения нефтеотдачи пластов и селективной водоизоляции.

5. Выработать рекомендации по получению и применению дисперсионного реагента на основе наночастиц полиакриламида в нефтяной промышленности.

Научная новизна.

Впервые проведено комплексное исследование процесса синтеза наночастиц полиакриламида радиационной полимеризацией в обратной миниэмульсии. Изучено влияние концентраций акриламида и эмульгатора, соотношения дисперсная фаза - дисперсионная среда на стабильность мономерных эмульсий, размер полимерных частиц, конверсию мономера в сшитый и несшитый полимер.

Проведенные фильтрационные испытания, моделирующие матрицу нефтяных коллекторов, показали, что дисперсионный состав на основе сшитого ПАА обладает способностью фильтроваться через пористые среды, а не только по трещинам, как это имеет место при использовании водных суспензий известных радиационно и химически сшитых ПАА. Показано, что разработанный наноструктурированный полимерный реагент по своим эксплуатационным характеристикам, полученным на фильтрационных моделях, превосходит существующие аналоги на основе гранулированного ПАА.

Практическая ценность.

1. Предложены способы управления размерами частиц синтезированного полимера путем регулирования технологических параметров приготовления мономерной эмульсии.

2. Разработана методика получения стабильной дисперсии частиц сшитого полиакриламида, представляющей собой реагент для применения в нефтяной промышленности.

3. Лабораторные фильтрационные исследования показали, что данный реагент способен регулировать проницаемость пористых сред и глубоко

проникать в пласт, т.е. является перспективным для применения в потокоотклоняющих технологиях повышения нефтеотдачи и при селективной водоизоляции в нефтяных пластах.

4. Результаты исследования могут быть использованы для создания промышленного процесса получения радиационно-сшитого полиакриламида в обратной микроэмульсии - эффективного реагента для увеличения нефтеотдачи.

Апробация работы.

Основные результаты исследований были представлены в докладах и презентациях на IX Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России» (г. Москва, 2012); VII Всероссийской научно-практической конференции «Нефтепромысловая химия» (г. Москва, 2012); X Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности» (г. Москва, 2013); V Международной научно-практической конференции «Нефтегазовые горизонты» (г. Москва, 2013).

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 3 статьи в научно-технических изданиях, включенных в перечень ВАК, 4 тезиса докладов в сборниках материалов научно-технических конференций.

Объем и структура работы.

Диссертация изложена на 142 страницах и содержит 30 таблиц и 32 рисунка. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка использованной литературы, который включает в себя 110 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность и перспективность разработки нового реагента на основе наночастиц сшитого полимера для увеличения нефтеотдачи пласта и селективной водоизоляции. Сформулированы цели и задачи исследования, представлены научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе проведен литературный обзор потокоотклоняющих методов увеличения нефтеотдачи на основе полимеров. Анализ литературных данных показал, что использование химически сшитых полимерных систем на основе полиакриламида в технологиях увеличения нефтеотдачи является наиболее эффективным. Рассмотрен механизм загущающей способности полиакриламида, а также его уникальная особенность повышать фактор сопротивления при фильтрации в пористой среде в большей степени, чем этого следовало ожидать при стандартных измерениях вязкости.

Проведен анализ существующих промышленно освоенных методов полимерного воздействия на продуктивные залежи. Рассмотрены условия применения, критерии выбора и недостатки различных полимерных реагентов. На основании анализа литературных данных по применению полимерных реагентов сделаны выводы о целесообразности разработки нового реагента на основе сшитых наночастиц полиакриламида.

Оптимальным методом получения наночастиц полимера является синтез в обратной миниэмульсии. Подробно изучена патентная и научно-техническая информация по получению полиакриламида обратноэмульсионной полимеризацией. Проанализирован механизм проведения полимеризации в обратной эмульсии. Рассмотрены механизмы действия применяемых эмульгаторов, а также влияние дисперсионных сред, специальных добавок и природы вещественных инициаторов на проведение процесса полимеризации.

В результате анализа литературных данных было показано, что использование радиационного излучения в качестве инициатора полимеризации позволит получить сшитый полимер оптимального состава, хорошо набухающий в воде за счет регулируемой плотности поперечных сшивок в макромолекулах. Рассмотрены особенности проведения процесса полимеризации в обратной эмульсии при инициации радиационным излучением.

Во второй главе представлено описание объектов исследований, лабораторных установок, методик проведения экспериментальных исследований и применяемых методов анализа.

На этапе приготовления мономерной эмульсии объектами исследований выступали эмульгаторы - МР и СПАН-80; дисперсионная среда - летнее дизельное топливо ЛУКОЙЛ ЕВРО-5. В качестве мономера использовали акриламид (АА) фирмы «Fluka». Был проведен ряд процессов сополимеризации, где в качестве сополимера выступала акриловая кислота. Стабильность образцов мономерной эмульсии изучали на приборе ПЭС-250.

На втором этапе в качестве объекта исследования выступал полиакриламид, полученный в обратной миниэмульсии под воздействием радиационного облучения. Для инициации полимеризации акриламида и сшивки использовали радиационную установку с источником гамма-излучения 60Со (г. Электрогорск, ООО «РИТЭК-ЭНПЦ»).

Распределение синтезированных частиц по размерам определяли методом динамического рассеяния света (ДРС) на приборе PhotoCorComplex с обработкой результатов по программе «CONTIN». Морфологию частиц синтезированного полимера изучали методом электронной просвечивающей микроскопии на приборе JEOL JEM-2100.

Для проведения дальнейших исследований полиакриламид высаждали из дисперсии в избытке ацетона, промывали горячим ацетоном в аппарате Сокслета и сушили до постоянной массы. Выход полимера определяли весовым способом. Для определения степени набухания гравиметрическим способом, высушенный порошок полиакриламида добавляли в дистиллированную воду при перемешивании и отстаивали в течение 7 суток. Гель-фракцию отделяли от золь-фракции на центрифуге Hettich Zentrifugen Rotina 420. Определением веса гель-фракции измеряли степень набухания сшитого полимера. Наличие несшитого растворенного ПАА в золь-фракции (центрифугате) определяли с помощью измерения динамической вязкости образцов на ротационном вискозиметре Rheotest RN4.1. Для описания зависимости вязкости золь-

фракции от условий течения использовали уравнение Шведова-Бингама. Структуру порошка синтезированного полиакриламида изучали на электронном сканирующем микроскопе ЛЮЬ ЛВ-4501.

На третьем этапе была изучена кинетика набухания известных реагентов:

• «РИТИН-10» и «Темпоскрин» на основе радиационно-сшитого полиакриламида;

• «В-415К», «В-615К», «В-615» на основе химически сшитого полиакриламида.

Были исследованы фильтрационные характеристики реагента «РИТИН-10» и реагентов на основе синтезированного радиационно-сшитого полиакриламида. На рисунке 1 показана схема экспресс-установки, использованной для проведения фильтрационных испытаний.

Данная установка состояла из насоса высокого давления, средств измерения давления и перепада давления, напорной разделительной колонки и корпуса насыпной модели пласта. В качестве пористых сред использовали насыпные модели из песка, дезинтегрированной породы продуктивного пласта и пропанта.

Рисунок 1 - Схема фильтрационной экспресс-установки 1 - емкость; 2 - насос; 3 - вентиль или кран; 4 - образцовый манометр; 5 -термостатированная колонка; 6 - термостатируемая модель пласта; 7 - мерник-отстойник; 8 - многоканальный терморегулятор

Ъз

ТР

В третьей главе представлены результаты комплексного исследования процесса синтеза полиакриламида в обратной миниэмульсии под воздействием радиационного облучения. На основании обзора литературы для стабилизации обратной миниэмульсии был выбран эмульгатор СПАН-80 («А1с1псЬ», Германия), а также отечественный эмульгатор МР производства ЗАО «Химеко-ГАНГ».

В процессе полимеризации в обратной эмульсии часто наблюдается образование больших количеств коагулюма, что приводит к ухудшению качества полимера. В связи с этим, правильный подбор эмульгатора и его концентрации обеспечивает требуемую стабильность мономерной эмульсии и синтезированной полимерной дисперсии. Оценка стабильности мономерной эмульсии проводилась путем определения напряжения пробоя.

В результате испытаний было выявлено, что, несмотря на более высокую стабильность эмульсии на основе СПАН-80 после приготовления, данный состав теряет требуемую стабильность через 50 часов хранения (напряжение пробоя становится ниже критической отметки 200 В). Эмульсия на основе МР обладает достаточной стабильностью даже после 240 часов хранения, как видно из графика на рисунке 2.

хранения (диспергирование ультразвуком: время 150 с, мощность 160 Вт)

Была изучена зависимость стабильности мономерной эмульсии от концентраций эмульгатора и акриламида. Для этого были приготовлены следующие образцы мономерной эмульсии (таблица 1):

Таблица 1 - Зависимость стабильности мономерной эмульсии* от концентрации эмульгатора и мономера_

Концентрация эмульгатора MP в дисперсионной среде, % масс Напряжение пробоя, В

соотношение фаза:среда -1:2 концентрация АА в фазе -10 %масс. соотношение фаза:среда -1:1 концентрация АА в фазе -10 %масс. соотношение фаза:среда -1:2 концентрация АА в фазе -30 %масс. соотношение фаза: среда -1:1 концентрация АА в фазе -20 %масс. соотношение фаза: среда-1:1 концентрация АА в фазе -30 %масс.

концентрация АА в эмульсии - %масс. концентрация АА в эмульсии - 5J) %масс. концентрация АА в эмульсии - ПЦ) %масс. концентрация АА в эмульсии -10,0 %масс. концентрация АА в эмульсии - 15,0 %масс.

3 338,3 198,4 142,1 115,2 11,4

4 586,1 315,9 218,3 178,3 155,9

5 742,6 461,6 369,2 244,7 189,7

6 813,0 581,8 629,5 400,2 297,4

* диспергирование ультразвуком (время 150 с, мощность 160 Вт)

Повышение концентрации мономера в дисперсной фазе снижает стабильность эмульсии вследствие способности акриламида увеличивать растворимость эмульгатора в водной фазе.

С экономической точки зрения целесообразно более высокое содержание акриламида в мономерной эмульсии, так как это позволит получить реагент с более высоким содержанием активного компонента -полиакриламида. При этом снижается стоимость реагента за счет экономии дисперсионной среды - дизельного топлива. Однако верхний уровень концентрации акриламида ограничен ухудшением стабильности мономерной эмульсии. Учитывая все вышесказанное, концентрация акриламида 30 %масс. в дисперсной фазе, концентрация эмульгатора 5 %масс. в дисперсионной среде и соотношение дисперсная фаза - дисперсионная среда = 1:2 были приняты за оптимальную рецептуру приготовления мономерной эмульсии.

На следующем этапе была изучена кинетика процесса полимеризации. На рисунке 3 показана типичная для данного процесса в-образная кривая,

отображающая зависимость выхода полимера от времени облучения.

Конверсия легче достигает более высокого значения, чем в присутствии химического инициатора при высоких температурах и при прочих равных условиях. Это можно объяснить более высокой скоростью инициации и активностью свободных радикалов, образующихся при воздействии у-лучей.

100% 90% -80% -£ 70% -3 60% -Сч 50% В

8 40% -И 30% ■ 20% -10% 0% ♦ 0

Рисунок 3 - Зависимость выхода полимера* от времени полимеризации

вязкости золь-фракции от времени полимеризации

* Мощность дозы 60 Гр/мин, соотношение фаза:среда - 1:2, концентрация эмульгатора МР в дизельном топливе 5 % масс., концентрация акриламида в воде - 30 % масс., температура - 25 °С.

Приводятся данные по изучению степени набухания полученного полимера и динамической вязкости его золь-фракции от времени полимеризации. Из рисунка 4 видно, что сначала происходит образование преимущественно растворимого полимера, о чем свидетельствует высокая динамическая вязкость золь-фракции его водного раствора. Далее, благодаря

100 150

Время полимеризации, мин

процессу сшивки макромолекул полимера, происходит образование набухающего полиакриламида. По мере продолжения процесса, плотность сшивки макромолекул увеличивается, и способность полимера к водопоглощению снижается.

Были исследованы два метода диспергирования в процессе приготовления мономерной эмульсии: ультразвуковая обработка и механическое перемешивание. Изучено влияние различных режимов диспергирования на свойства синтезированного полимера (таблица 2).

Таблица 2 - Влияние интенсивности диспергирования мономерной эмульсии на выход и характеристики полимера* _

Интенсив диспергирс иость вания Выход, % Радиус частиц, нм (метод электронной микроскопии) Стабильность мономерной эмульсии -напряжение пробоя, В Динамическая вязкость центрифугата, мПа-с Степень набухания

Скорость перемешивания, об/мин 100 76,5 (15%-коагулюм) полидисперсный образец min (min 70 - max 4500) 175 5,18 31,8

500 98,0 123 (min 58-max 235) 210 5,01 26,9

1000 100,0 90 (min 48-max 172) 260 4,77 27,2

2000 100,0 70 (min 40-max 153) 390 4,82 26,9

4000 100,0 70 (min 37 -max 138) 700 5,13 31,3

Мощность обработки ультразвуком (время -150 с), Вт * „„„„„.. 40 94,5 68 (min 42 -max 128) 320 5,23 31,2

160 96,5 40 (min 28 -max 96) 369 4,15 25,1

* составы приготовлены по стандартной рецептуре, описанной в таблице 3 (кроме времени полимеризации - 245 мин)

Выявлено, что интенсивность диспергирования не влияет на способность синтезированного полимера к водопоглощению. Увеличение скорости механического перемешивания приводит к снижению размеров частиц полимера и менее полидисперсному распределению. Обработка мономерной эмульсии ультразвуком мощностью 160 Вт в течение 150 секунд привела к получению полимера с оптимальным монодисперсным

распределением частиц по размерам. Данный метод подготовки мономерной эмульсии был использован в дальнейших исследованиях.

В работе было систематически изучено влияние таких параметров процесса, как концентрация АА в дисперсной фазе, соотношение дисперсная фаза - дисперсионная среда, концентрация эмульгатора, мощность излучения на выход полимера, степень его набухания и распределение частиц по размерам (таблица 3).

Таблица 3 - Стандартная рецептура и диапазон изменяемых значении в процессе синтеза полиакриламида в обратной миниэмульсии

Параметры

Концентрация мономера АА, %масс.

Стандартное значение

Диапазон значений

10-40

Соотношение дисперсная фаза - дисперсионная среда, масс.

1:2

Эмульгатор

МР

Концентрация эмульгатора, %масс.

Мощность дозы, Гр/мин

Время полимеризации, мин

105

1:1, 1:2, 1:4

МР, СПАН-80

3-6

30-60

При увеличении концентрации акриламида размер частиц синтезированного полимера увеличивается. Увеличение концентрации мономера выше 40 %масс. приводит к дестабилизации обратной эмульсии и образованию коагулюма.

Из таблицы 4 видно, что при увеличении концентрации акриламида в дисперсной фазе количество несшитого полимера увеличивается, о чем говорит возрастание динамической вязкости золь-фракции, в то время как вследствие снижения доли сшитого полимера (гель-фракции) уменьшается степень набухания полимера.

Измерение радиуса частиц полимера методом электронной микроскопии проводилось под глубоким вакуумом, вследствие чего происходила «сушка» и уменьшение размеров частиц - этим объясняются разногласия с результатами, полученными методом ДРС.

Таблица 4 - Влияние концентрации мономера на выход и характеристики полимера ___

Концентрация мономера АА, %масс. Выход, % Гидродинамический радиус частиц, нм (метод ДРС) Радиус частиц, нм (метод электронной микроскопии) Динамическая вязкость центрифугата, мПа-с Степень набухания

10 96,3 65 35 - -

20 100,0 67 38 6,7 46

30 96,5 71 40 8,9 44

40 90,1 (коагулюм 20 %) 88 79 10,5 12

Частицы полиакриламида, синтезированные из мономерных эмульсий с соотношением дисперсная фаза — дисперсионная среда = 1:1, обладают большим размером (на 10-12 нм) по сравнению с образцами, где использовалось соотношение 1:2 (при прочих равных условиях). В то же время, разница в размерах не столь существенна, чем ожидалось по литературным данным.

Следует отметить, что синтезированные образцы обладают достаточно узким распределением частиц по размерам, как можно видеть на рисунке 5. Известно, что монодисперсность латексов полимера достигается, когда стадия инициации занимает короткий промежуток времени по сравнению с общим временем проведения процесса. Это связано с принципиальной особенностью радиационного инициирования - возможностью быстрого создания равномерно по всему объёму образца высоких концентраций активных центров, инициирующих полимеризацию.

Проведение процесса в обратной миниэмульсии также вносит вклад в монодисперсность частиц синтезированного полимера. Зарождение и рост цепи происходит в мономерных каплях с сохранением их индивидуальности. Благодаря быстрому образованию полимера, нерастворимого в дисперсионной среде, практически отсутствует процесс «оствальдовского созревания» капель -исчезновения мелких частиц за счет переноса в крупные.

Рисунок 5 - Электронная фотография дисперсии наночастиц полиакриламида на электронном просвечивающем микроскопе (стандартная рецептура)

Изучение размеров латексов синтезированного полимера методом ДРС также показало, что частицы монодисперсны, как можно видеть на рисунке 6.

Рисунок 6 — Распределение интенсивности рассеянного света по радиусу частиц, исследованное методом ДРС (стандартная рецептура)

При увеличении концентрации эмульгатора размер синтезированных частиц снижается (таблица 5). Благодаря более высокой концентрации эмульгатора образуются более мелкие стабильные капли дисперсной фазы,

которые при высокой скорости инициации образуют монодисперсные частицы полимера.

Таблица 5 - Влияние концентрации эмульгатора МР на выход и характеристики полимера ____

Концентрация эмульгатора МР, % масс. Выход, % Гидродинамический радиус частиц, им (метод ДРС) Радиус частиц, нм (метод электронной микроскопии) Степень набухания

3 95,5 79 - 37

4 97,8 74 46 38

5 96,5 71 40 44

6 98,4 55 39 42

Концентрация эмульгатора не влияет на изменение доли сшитого полимера. На это указывает примерно одинаковая степень набухания у всех исследованных образцов. Также не обнаружено зависимости конверсии мономера от концентрации эмульгатора. Как видно из таблицы 5, выход полимера во всех образцах был более 95%.

В результате эксперимента было установлено, что в измеряемом диапазоне мощности облучения (от 30 до 60 Гр/мин), размер частиц полимера изменяется незначительно (таблица 6). Таким образом, влияние мощности облучения схоже с влиянием концентрации химического инициатора, повышение которой не приводит к закономерным изменениям размера частиц.

Таблица 6 - Влияние мощности облучения на выход и характеристики полимера__

Мощность дозы, Гр/мин Выход, % Гидродинамический радиус частиц, нм (метод ДРС)

30 99,8 66

40 97,8 74

50 96,7 74

60 96,5 71

При высаждении из дисперсии и сушке порошка полиакриламида частицы полимера прочно скрепляются между собой и образуют агломераты, показанные на рисунке 7. Определение размера первоначальных частиц полимера микроскопированием высушенного порошка полимера невозможно. Частицы порошка обладают сферической, овальной и др. формами, что

значительно отличается от морфологии частиц полимера, наблюдаемой в дисперсии.

Рисунок 7 - Электронная фотография порошка синтезированного полиакриламида на электронном сканирующем микроскопе

В главе 4 представлены результаты изучения кинетики набухания существующих реагентов на основе сшитого полиакриламида (СПАА), а также результаты фильтрационных испытаний реагента «РИТИН-10» и реагента на основе синтезированного полиакриламида.

В пресной воде при комнатной температуре реагенты на основе химически сшитого полиакриламида (ХСПАА) набухают быстро и набухшие частицы заполняют весь объем раствора, т.е. степень набухания выше 100 мл/г. Степень и скорость набухания реагента «Темпоскрин» на основе радиационно сшитого полиакриламида (РСПАА) в пресной воде существенно ниже, чем у ХСПАА, что указывает на большую степень сшивки «Темпоскрина» по сравнению с прочими исследованными реагентами (таблица 7).

Рост минерализации раствора приводит к резкому снижению степени набухания ХСПАА и Темпоскрина. В минерализованных растворах в большей степени набухают крупные частицы В-615К и В-415К, чем более мелкодисперсные В-615 и «Темпоскрин».

Сопоставление результатов исследования В-615 и В-615К позволяет

оценить влияние степени измельчения СПАА на их свойства. Данные реагенты

имеют одинаковый химический состав и различаются только дисперсностью (размерами частиц).

Таблица 7 — Влияние концентрации суспензии и минерализации воды на равновесную степень набухания СПАА_

Марка СПАА Плотность воды, кг/мЗ 1000 1020 1000 1012

Концентрация, %масс Максимальная степень набухания, мл/г

18-20 "С 80 "С

В-615 1,0 >100 14,7 >100,0 58,7

1,33 >75 16,5 - -

2,0 >50 14,3 - -

В-615 К 1,0 >100 43,3 >100,0 37,0

1,33 >75 42,5 - -

2,0 >50 33,3 - -

В-415 К 1,0 >100 25 >100,0 65,0

1,33 >75 28,5 - -

Темпоскрин 1,0 42,7 16,7 53,3 26,7

1,33 35,0 16,0 - -

РИТИН-10 0,5 >200 54.4 >200 94,4

1,0 >100 41,6 >100 73,6

2,0 >50 23.8 >50 >50

Обнаружено, что крупнодисперсный В-615К в большей степени набухает в минерализованных водах, чем В-615, состоящий из мелких частиц. Данное явление объясняется различием в диффузионных свойствах воды и гидратированных катионов. Вода проникает во внутренние полости гелевых частиц, а более крупные гидратированные катионы задерживаются мало набухшей поверхностью гелевых частиц, выполняющей роль молекулярной мембраны.

При повышенных температурах в пресной и дистиллированной водах ХСПАА быстро набухают, причем степень набухания превышает 100 мл/г (т.е. при использованных концентрациях полимерный гель заполнял весь объем). Реагент «Темпоскрин» в пресной и дистиллированной водах набухает в меньшей степени, чем ХСПАА. В низкоминерализованных водах степень набухания СПАА значительно снижается.

Реагент «РИТИН-10» при взаимодействии с водой образует значительные по размерам гелеобразные частицы. Линейные размеры

гелеобразных частиц составляют несколько миллиметров. «РИТИН-10» набухает в минерализованных водах при 70-90 °С в большей степени, чем при 20-22 °С. Набухание реагента в минерализованных водах при 70-90 °С приводит к образованию большого объема геля. Степень набухания достигает значений 90-94 в случае 0,5% суспензий реагента в воде.

Реагент «РИТИН-10» по своей способности набухать в минерализованных водах, особенно при повышенных температурах, значительно превосходит испытуемые СПАА и был выбран для проведения фильтрационных испытаний.

В исследовании были протестированы 0,5-1,0% суспензии «РИТИН-10» в пресной и минерализованной воде (плотность 1,012 г/мл, 18 г/л хлорида натрия). Фильтрационное тестирование показало, что реагент «РИТИН-10» обладает высокими водоизолирующими характеристиками в условиях трещиноватых коллекторов и скважин после гидроразрыва пласта (таблица 8).

Таблица 8 - Результаты фильтрационного тестирования 0,5% суспензии «РИТИН-10» в пресной воде____

Этап Флюид Объем закачки, п.о. Перепад давления, МПа Скорость фильтрации, мл/час Фактор сопротивления ^вода, мкм2 Т, °С

максимальный конечный максимальный конечный

1 Пресная вода 3,54 - 0,00183 328,2 - 1 13,7 22,0

2 Состав 0,78 0,319 0,251 13,8 13200 3270 - 22,0

3 Пресная вода 3,95 ■ 0,118 26,7 - 790 0,0175 21,0

Закачка суспензии «РИТИН-10» в модель с проницаемостью по воде 13,7 мкм2 проходит с максимальным фактором сопротивления 13200. Это говорит о том, что реагент будет проявлять эффективность только в трещиноватом пласте или при борьбе с поглощениями при капитальном ремонте скважин. Однако характеристики «РИТИНа-10» и подобных ему реагентов не позволяют им проникать в обычные пористые среды вследствие образования крупных гелеобразных частиц полимера при взаимодействии с водой.

Поэтому целью первой серии фильтрационных испытаний полученных наноструктурированных ПАА было исследование проникающей способности в модельные пористые среды с проницаемостью, типичной для многих нефтяных месторождений.

Во всех экспериментах использовалась водонасыщенная пористая среда (минерализация воды - 18 г/л) и перед закачкой реагента изначально определялась проницаемость по газу и воде.

Дисперсионный ПАА способен снижать проницаемость водонасыщенных пористых сред (таблица 9). Однако в отличие от известных типов реагентов («РИТИН-10», Темпоскрин, В-615 и т.п.) данный реагент способен проходить через пористые среды с проницаемостью 0,075-1,25 мкм2, а не только в трещины.

Таблица 9 - Результаты фильтрационного тестирования синтезированных реагентов по исследованию способности глубокого проникновения в пласт

Номер опыта Проницаемость по воде, мкм2 Объем закачки реагента, по. Остаточный фактор сопротивления Конечная проницаемость по воде, мкм2 Состав реагента

при закачке реагента при закачке воды

35/12 0,075 0,63 6,5 3,9 0,019 концентрация ПАА - 3,3 %масс.

23/13 0,14 0,84 8,7 6,0 0,023 концентрация ПАА - 6,0 %масс.

24/13 1,25 0,87 5,2 3,6 0,347

15/13 1,05 0,74 29,2 9,5 0,111 концентрация ПАА - 10,0 %масс.

Способность реагента к проникновению в пористые среды сильно зависит от концентрации полиакриламида в дисперсии. Состав с 3,3% концентрацией частиц полимера проникает в модель с проницаемостью 0,075 мкм2 легче, чем 10% дисперсия в модель с проницаемостью 1,05 мкм2. Таким образом, глубину проникновения состава в коллектор нефтяного месторождения можно регулировать, меняя концентрацию состава.

В следующей серии экспериментов исследовали фильтрацию гидрофобной жидкости (модели нефти) через пористые среды, обработанные дисперсионным ПАА. В качестве модели маловязкой нефти использовали

очищенный керосин, имеющий при температуре эксперимента вязкость (1,03 мПа-с), практически не отличающуюся от вязкости воды (0,97 мПа-с).

Было обнаружено, что пористая среда, обработанная дисперсией ПАА, оказывает значительно меньшее фильтрационное сопротивление маловязкой гидрофобной жидкости, чем при фильтрации воды (таблица 10). Наиболее заметна диспропорция в проницаемостях по воде и керосину в опыте 19/12, в котором была использована дисперсия ПАА с крупными частицами. По-видимому, причина диспропорции проницаемостей для воды и керосина заключается в уменьшении объема частиц ПАА в присутствии углеводородной жидкости. Полученные результаты указывают на возможность использования дисперсий ПАА для селективной водоизоляции в нефтяных пластах.

Таблица 10 - Результаты фильтрационного тестирования синтезированных реагентов с целью изучения селективности действия _

Номер опыта Проницаемость по воде, мкм2 Объем закачки реагента, по. Остаточный фактор сопротивления Состав реагента

при закачке реагента при закачке воды при закачке модели нефти

17/13 0,246 0,89 240,0 500,0 97,0 концентрация ПАА -15 %масс.; средний размер частиц -50 нм

25/13 1.430 0,82 85,5 64,3 33,0

26/13 1,810 0,87 36,5 15,2 9,4

19/12 2,820 0,30 0 33,3 2,0 концентрация ПАА -5 %масс., средний размер частиц-170 нм

С целью увеличения способности частиц ПАА набухать в воде исследовали реагент, полученный при радиационной сополимеризации смеси АА и акриловой кислоты (таблица 11). В опытах 27, 28 и 29/13 использовалась дисперсия ПАА на основе сополимера акриламида (90 %масс.) и акриловой кислоты (10 %масс.). Данный реагент имеет высокую степень набухания (более 200).

Фильтрационные эксперименты показали, что изменение состава частиц ПАА способствовало росту факторов сопротивления при закачивании составов в модели пласта, а также остаточных факторов сопротивления при фильтрации воды. Длительная фильтрация воды не приводила к изменению остаточных факторов сопротивления, что указывает на высокую стабильность реагента в

пористой среде и отличает его от радиационно- и химически сшитых ПАА. Важно, что дисперсия сополимера ПАА практически не фильтруется в низкопроницаемые пористые среды, т.е. состав обладает селективностью воздействия на пористые среды с различной проницаемостью. Таким образом, использование дисперсии сополимера акриламида с акриловой кислотой позволяет повысить эффективность водоизолирующего действия композиции.

Таблица 11 - Результаты фильтрационного тестирования синтезированного реагента на основе сополимера акриламида и акриловой кислоты_

Номер опыта

27/13

29/13

28/13

Проницаемость по воде, мкм2

0,149

1,05

1,42

Объем закачки реагента, по.

0.69

0,85

0.82

Остаточный фактор сопротивления

при закачке реагента

2330

32,5

24.2

при закачке воды

8600

29,2

32.5

Конечная проница-

0,000017

0,036

0,044

Состав реагента

концентрация сополимера -10 %масс.

В заключительной серии экспериментов исследовали взаимодействие дисперсии ПАА с пористой средой, заполненной моделью маловязкой нефти. В качестве модели маловязкой нефти использовали смесь керосина (60 °/омасс.) с вазелиновым маслом (40 %масс.). Данная смесь имеет вязкость и22 = 2,57 мПа-с, плотность р22 = 811 кг/м3.

Закачивание дисперсии ПАА в нефтенасыщенные пористые среды не приводит к снижению проницаемости по нефти (таблица 12).

Таблица 12 - Результаты фильтрационного тестирования синтезированного реагента с использованием нефтенасыщенных моделей пласта

Номер опыта

30/13

32/13

Проницаемость, мкм2

по воде

1,47

0,612

по нефти

0,333

0,184

Начальная

нефте-насыщенность, %

50,7

62,2

Закачка реагента

Объем закачки реагента, по.

0,67

0,87

Остаточный

фактор сопротивления при закачке реагента

1,7*

4,6*

Закачка нефти

Объем закачки нефти, по.

3,25

3,67

Остаточный

фактор сопротивления при закачке нефти

0,41*

0,79*

•относительно начальной проницаемости по модели нефти при начальной насыщенности

Состав реагента

концентрация полимера -10 %масс.

Состав легко вытесняется из пористой среды потоком нефти, при этом проницаемость пористой среды для нефти увеличивается в 1,3-2,4 раза, что объясняется уменьшением водонасыщенности пористой среды (воду вытесняет гидрофобная дисперсия ПАА). Таким образом, дисперсия ПАА не будет оказывать отрицательного влияния на дебит скважин по нефти. Полученные данные подтверждают, что разработанный новый тип реагента может быть использован для селективной водоизоляции в добывающих скважинах.

Проведенные фильтрационные исследования показывают, что впервые синтезированный гидрофильный реагент на основе ПАА, находящийся в гидрофобной среде, может быть использован в технологиях повышения нефтеотдачи и селективной водоизоляции. Важной особенностью синтезированного реагента является простота и технологичность его получения. Синтез реагента не включает стадий сушки и обезвоживания ПАА, значительно повышающих стоимость конечного продукта. Предлагаемый метод синтеза позволяет получать реагент в виде готовой к применению товарной формы непосредственно в местах, приближенных к районам нефтедобычи.

ВЫВОДЫ

1. Радиационный синтез полиакриламида в обратной миниэмульсии мономера происходит с высокой скоростью и позволяет получить сшитый полимер с выходом, приближенным к количественному.

2. Установлен оптимальный состав мономерной эмульсии, обеспечивающий требуемую стабильность:

• концентрация акриламида в дисперсной фазе - 30 %масс.;

• концентрация эмульгатора МР - 5 %масс.;

• соотношение дисперсная фаза - дисперсионная среда = 1:2 (масс.).

3. С увеличением концентрации мономера от 10 до 40 %масс. средний размер частиц полимера увеличивается от 65 до 88 нм, а степень набухания полимера снижается с 46 до 12. При увеличении концентрации эмульгатора от 3 до 6 %масс. средний размер частиц ПАА снижается с 79 до 55 нм.

Концентрация эмульгатора не влияет на степень набухания полимера и выход полимера. Влияния мощности облучения (в интервале 30-60 Гр/мин) на размер частиц обнаружено не было.

4. Фильтрационные испытания синтезированных реагентов показали следующее:

• новый наноструктурированный реагент способен проникать в низкопроницаемые пористые среды (проницаемость по воде 0,075 мкм2 и ниже), моделирующие пласты нефтяных коллекторов;

• синтезированный реагент обладает селективным действием по отношению к фильтруемому флюиду. Установлено, что после закачки дисперсионного реагента, проницаемость среды по керосину до 16 раз выше, чем по воде (в зависимости от начальной проницаемости и размера частиц полимера);

5. Показано, что составы на основе синтезированного сшитого ПАА являются перспективными реагентами для селективной водоизоляции в нефтяных пластах.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих

работах:

1.С.А. Шувалов, М.Ю. Зиангирова, М.А. Бардин, A.B. Савин, В.Н. Хлебников. Разработка реагента для селективной водоизоляции на основе наноразмерного радиационносшитого полиакриламида // Башкирский Химический Журнал. - 2012. - Том 19 №4. - с. 148-153.

2. С.А. Шувалов, В.А. Винокуров, Д.А. Бакулин. Синтез сшитого полиакриламида в обратной миниэмульсии под воздействием радиационного облучения И Технология нефти и газа. - 2013. - №6. - с. 12-16.

3. С.А. Шувалов, В.А. Винокуров, В.Н. Хлебников. Применение полимерных реагентов для увеличения нефтеотдачи пласта и водоизоляции // Труды РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина. -2013.- №4. - с. 57-61.

4. СЛ. Шувалов, Э.Р. Надырова, В.А. Винокуров. Разработка реагента для увеличения нефтеотдачи пласта на основе полиакриламида, полученного обратноэмульсионной полимеризацией под воздействием радиационного облучения // IX Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России»: Тезисы докладов, 30 января - 1 февраля 2012г. - г. Москва, 2012.-с. 121.

5. С.А. Шувалов, В.А. Винокуров. Использование радиационного облучения для получения нефтевытесняющего агента на основе наночастиц полиакриламида II VII Всероссийская научно-практическая конференция «Нефтепромысловая химия»: Материалы, 27-28 июня 2012 г. - г. Москва, 2012. - с. 54-55.

6. С.А. Шувалов, В.Н. Хлебников, В.А. Винокуров. Разработка нового метода увеличения нефтеотдачи на основе наночастиц полиакриламида II X Всероссийская конференция молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности»: Тезисы докладов, 8-11 октября 2013г. — г. Москва, 2013. - с. 315 (диплом лауреата).

7. S.A. Shuvalov, V.N. Khlebnikov, V.A. Vinokurov. Development of reagent for enhanced oil recovery, based on Polyacrylamide nanoparticles // The Fifth International Scientific and Practical Conference «Oil and Gas Horisons»: Materials, 11-13 ofNovember 2013. - Moscow, 2013. - p. 127.

Подписано в печать: 11.11.2013 Тираж: 100 экз. Заказ № 231 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, пр-т Вернадского, д. 39 (495) 363-78-90; www.reglet.ru

Текст научной работы диссертации и автореферата по химии, кандидата технических наук, Шувалов, Сергей Александрович, Москва

Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский государственный университет нефти и газа имени И. М. Губкина»

04201365730 На правах рукописи

Шувалов Сергей Александрович

РАЗРАБОТКА РЕАГЕНТА ДЛЯ СЕЛЕКТИВНОЙ ВОДОИЗОЛЯЦИН НЕФТЯНЫХ ПЛАСТОВ НА ОСНОВЕ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО ПОЛИАКРИЛАМИДА

Специальность 02.00.11 - Коллоидная химия

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор химических наук, профессор

Винокуров Владимир Арнольдович

Москва 2013 г

СОДЕРЖАНИЕ

Список принятых обозначений....................................................................5

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................5

Глава 1. Современное состояние технологий увеличения нефтеотдачи на основе полимеров и пути их совершенствования.......................................11

1.1. Методы полимерного воздействия на остаточную нефть...........13

1.1.1. Полимерное заводнение...............................................................14

1.1.2. Сшитые полимерные системы.....................................................17

1.1.3. Реагенты на основе водонабухающих полимеров.....................22

1.2. Анализ существующих методов синтеза ПАА и выбор оптимального направления синтеза наночастиц водонабухающего ПАА.....28

1.2.1. Полимеризация АА в водном растворе......................................28

1.2.2. Суспензионная полимеризация АА............................................30

1.2.3. Дисперсионная полимеризация АА............................................33

1.2.4. Обратноэмульсионная полимеризация АА................................35

1.3. Выводы по обзору литературы и постановка задач исследования44

Глава 2. Материалы и методы исследований.........................................47

2.1. Реагенты и материалы.......................................................................47

2.1.1. Реагенты, используемые для проведения полимеризации.......47

2.1.2. Существующие реагенты для увеличения нефтеотдачи пласта на основе сшитого ПАА...................................................................................47

2.2. Методика проведения радиационной (со) полимеризации А А в обратной миниэмульсии.......................................................................................49

2.3. Методика определения стабильности мономерной миниэмульсии51

2.4. Методы анализа дисперсии синтезированного полимера...............51

2.4.1. Динамическое рассеяние света (ДРС)........................................51

2.4.2. Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ)................52

2.5. Методы анализа порошка полимера..................................................53

2.5.1. Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ)......................53

2.5.2. Определение выхода и степени набухания................................54

2.5.3. Реологические измерения............................................................55

2.6. Методика определения кинетики набухания в статических условиях существующих реагентов для увеличения нефтеотдачи на основе СП А А.......................................................................................................................56

2.7. Методы фильтрационных испытаний синтезированных дисперсий ПАА и ПГС «РИТИН-10»......................................................................................57

2.7.1. Методика подготовки насыпных моделей пласта.....................58

2.7.2. Методика проведения фильтрационных экспериментов..........60

Глава 3. Результаты исследования радиационного синтеза полимера в обратной миниэмульсии и их обсуждение......................................................63

3.1. Стабильность мономерной эмульсии................................................63

3.2. Зависимость выхода ПАА от времени процесса..............................67

3.3. Влияние различных режимов диспергирования на свойства синтезированного полимера................................................................................71

3.4. Влияние различных параметров процесса на свойства синтезированного полимера................................................................................75

3.4.1. Влияние концентрации мономера...............................................76

3.4.2. Влияние концентрации эмульгатора...........................................77

3.4.3. Влияние соотношения Вода:Масло............................................79

3.4.4. Влияние мощности дозы облучения...........................................80

3.5. Радиационная сополимеризация АА с АК в обратной миниэмульсии .................................................................................................................................81

Глава 4. Результаты и обсуждение фильтрационных экспериментов синтезированного реагента и существующих промышленных реагентов. 87

4.1. Исследование существующих промышленных реагентов на основе

СПАЛ.......................................................................................................................87

4.1.1. Изучение кинетики набухания существующих реагентов.......87

4.1.2. Фильтрационные испытания реагента «РИТИН-10»................89

4.2. Исследование фильтрационных характеристик синтезированного дисперсионного реагента.....................................................................................95

4.2.1. Исследование проникающей способности дисперсионного реагента..............................................................................................................96

4.2.2. Изучение влияния состава и типа флюида на свойства дисперсии ПАЛ в пористой среде.................................................................105

4.2.3. Исследование фильтрационных характеристик дисперсии синтезированного сополимера ПААС..........................................................116

4.2.4. Изучение влияния дисперсии ПАА на проницаемость нефтенасыщенных пористых пород..............................................................124

5. Заключение...............................................................................................127

6. Благодарности...................,.....................................................................130

7.Список литературы.................................................................................131

Список принятых обозначений

АА - акриламид

АК - акриловая кислота

ВНП - водонабухающие полимеры

В:М - соотношение вода : масло

ГЛБ - гидрофильно-липофильный баланс

ГПАА - гидролизованный полиакриламид

ГРП - гидравлический разрыв пласта

ДРС - динамическое рассеяние света

КИН - коэффициент извлечения нефти

КПС - капсулированные полимерные системы

КРС - капитальный ремонт скважин

МУН - методы увеличения нефтеотдачи

ОПЗ - обработка призабойной зоны

ПАА — полиакриламид

ПААС - сополимер акриламида и акриловой кислоты

ПВП - поли-Ы-винилпирролидон

ПГС - полимер-гелевая система

ПМЧ - полимер-мономерная частица

ППД - поддержание пластового давления

ПЭМ - просвечивающая электронная микроскопия

п.о. - поровый объем

РИР - ремонтно-изоляционные работы

РСПАА - радиационно сшитый полиакриламид

СПАА - сшитый полиакриламид

СПС - сшитые полимерные системы

СЭМ - сканирующая электронная микроскопия

УЗ — ультразвук

УФ - ультрафиолет

ХСПАА - химически сшитый полиакриламид

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время средний проектный коэффициент извлечения нефти (КИН) в России составляет по разным оценкам от 30 до 35 % [1]. Увеличение КИН является одним из приоритетных направлений развития нефтяного комплекса России [2]. Актуальной проблемой является и высокая обводненность продукции, которая увеличивает стоимость добычи и приводит к коррозии трубопроводов и аппаратуры. Средняя обводненность в РФ составляет порядка 86 % [3], а на некоторых месторождениях мира эта цифра достигает 98 %.

В настоящее время эффективность нефтеизвлечения за счет применяемых методов считается неудовлетворительной, поэтому существует острая необходимость разработки и внедрения инновационных методов увеличения нефтеотдачи (МУН) продуктивных залежей.

Реагенты на основе полимеров нашли широкое применение в процессах увеличения охвата пластов заводнением, выравнивания профиля приемистости и селективной водоизоляции.

Кроме использования традиционных полимерных растворов, обладающих более высокой вытесняющей способностью по сравнению с водой, часто применяются сшитые полимерные системы (СПС) и реагенты на основе водонабухающих полимеров.

При использовании СПС в раствор водорастворимого полимера, чаще всего полиакриламида (ПАА), вводится сшиватель (соли хрома или алюминия)[4-6]. К основным недостаткам данных систем относятся их низкая технологичность, необходимость в использовании дорогостоящих дозирующих устройств, ограниченность применения в осенне-зимний период, значительное ухудшение качества в результате механической (при прохождении через насосы), химической и микробиологической деструкции [7,8].

Реагенты на основе водонабухающих полимеров проявляют эффективность только в трещиноватом пласте или при борьбе с поглощениями при капитальном ремонте скважин. Однако характеристики подобных

реагентов не позволяют им проникать в обычные пористые среды вследствие образования крупных гелеобразных частиц полимера при взаимодействии с водой.

Таким образом, целью работы является разработка нового эффективного реагента для повышения нефтеотдачи и селективной водоизоляции нефтяных

пластов на основе наночастиц сшитого полиакриламида, синтезированного в обратной миниэмульсии под воздействием радиационного облучения.

Были поставлены следующие задачи:

1. Исследовать существующие типы радиационно- и химически сшитых полиакриламидов с целью определения направлений совершенствования данного типа реагентов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

Впервые проведено комплексное исследование процесса синтеза наночастиц полиакриламида радиационной полимеризацией в обратной миниэмульсии. Изучено влияние концентраций акриламида и эмульгатора, соотношения дисперсная фаза — дисперсионная среда на стабильность мономерных эмульсий, размер полимерных частиц, конверсию мономера в сшитый и несшитый полимер.

Проведенные фильтрационные испытания на моделях, имитирующих матрицу нефтяных коллекторов, показали, что дисперсионный состав на основе сшитого ПАА обладает способностью фильтроваться через пористые среды, а не только по трещинам, как это имеет место при использовании водных суспензий известных радиационно и химически сшитых ПАА. Показано, что

разработанный наноструктурированный полимерный реагент по своим эксплуатационным характеристикам, полученным на фильтрационных моделях, превосходит существующие аналоги на основе гранулированного ПАА.

. Полученные результаты имеют следующую практическую ценность.

3. Лабораторные фильтрационные исследования показали, что данный реагент способен регулировать проницаемость пористых сред и глубоко проникать в пласт, т.е. является перспективным для применения в потокоотклоняющих технологиях повышения нефтеотдачи и при селективной водоизоляции в нефтяных пластах.

4. Результаты исследования могут быть использованы для создания промышленного процесса получения радиационно-сшитого полиакриламида в обратной миниэмульсии - эффективного реагента для увеличения нефтеотдачи.

В результате проведенных исследований на защиту выносится:

• состав мономерной эмульсии, обеспечивающий получение устойчивой дисперсии полимера с узким распределением частиц по размеру;

• установленные зависимости выхода полимера, размеров частиц полимера и степени его набухания от состава и условий приготовления мономерной эмульсии;

• способность синтезированного дисперсионного реагента на основе сшитого ПАА на глубокое проникновение в низкопроницаемые пористые среды и установленные зависимости проникающей способности от концентрации ПАА в дисперсии;

• способность глобул синтезированного дисперсионного реагента изменять степень набухания в зависимости от типа фильтруемого флюида -

снижать проницаемость для воды в большей степени, чем для углеводородной жидкости.

Апробация работы

Публикации

Объем и структура работы

Глава 1. Современное состояние технологий увеличения нефтеотдачи на основе полимеров и пути их совершенствования

Проблема нерациональной добычи углеводородов является актуальной не только для России, но и для основных нефтедобывающих стран, где средняя проектная нефтеотдача составляет также около 30 % [1].

Основной способ добычи нефти заключается в вытеснении нефти водой. В результате применения заводнения в пласте формируется два типа остаточной нефти. Первый тип остаточной нефти образуется в промытых водой зонах нефтяного пласта и содержит большее количество тяжелых компонентов (смол, асфальтенов), чем исходная нефть [9]. Положение флюидов в поровом пространстве определяется смачиваемостью породы [10,11]. В гидрофильной породе вода смачивает поверхность коллектора, тогда как остаточная нефть вытесняется во внутреннюю часть пор и представляет собой отдельные ганглии (капельки), блокированные в порах пласта.

В гидрофобной породе смачивающей жидкостью является нефть, и остаточная нефть содержится в виде пленки на поверхности. Причинами образования остаточной нефти первого типа являются высокое межфазное натяжение на границе раздела вода-нефть-порода и огромная суммарная поверхность контакта нефти с породой [12]. Капиллярно-удержанная и пленочная нефть составляет порядка 30 % от всей остаточной нефти.

Второй тип остаточной нефти мало отличается от исходной нефти месторождения, так как образуется в результате неполного вытеснения нефти из неоднородного коллектора. Причинами формирования остаточной нефти второго типа являются неоднородное строение породы-коллектора (наличие зон с различной проницаемостью), а также различные скорости фильтрации вытесняемого и вытесняющего флюидов [10,13]. К остаточной нефти второго типа относится [12,14]: нефть, остающаяся в слабопроницаемых пропластках и участках, не охваченных водой (27 %); нефть в застойных �