Гелеобразующие композиции на основе щелочного золя кремниевой кислоты для ремонтно-изоляционных работ Роднова Валентина Юрьевна

Введение к работе

Актуальность темы исследования

Щелочные золи кремниевой кислоты – представители нанодисперсных оксидных систем, находят применение в технологиях получения материалов золь-гель методом. Характерная особенность золей кремнезема как лиофилизированных коллоидных систем – способность к гелеобразованию. Полимерная природа и высокая реакционная способность золей кремнезема обусловлена наличием высокоразвитой поверхности и функциональных (силанольных) групп.

Агрегативная устойчивость золя кремнезема и гелеобразование достаточно подробно рассмотрены в литературе, тем не менее, факторы, влияющие на процесс образования геля в условиях нефтегазоносных пластов и на применение золей и гелей кремнезема в нефтегазовой промышленности, изучены в недостаточной степени.

Технологии изоляции водопритоков с применением гелеобразующих
составов вносят существенный вклад в решение задач по охране недр и
снижению затрат на добычу углеводородов. Неудовлетворительное

техническое состояние скважины (наличие заколонных перетоков и
межколонных давлений) приводит к потере нефти и газа и нарушению
экологического равновесия территории добычи. Особой сложностью

отличаются изоляционные работы, связанные с устранением водопритоков в интервалах с низкой приемистостью (пропускной способностью зоны нарушения менее 80 м³/сут при р = 10 МПа). Ограничение водопритоков путем блокирования химическими реагентами каналов и трещин в заколонном пространстве является одним из основных факторов, способствующих безопасной эксплуатации скважины и сохранению уровня добычи.

К настоящему времени разработаны технологии ремонтно-изоляционных работ (РИР) с применением золей кремниевой кислоты, которые основаны на внутрипластовом гелеобразовании. Однако данные методы отличаются тем, что

4
в качестве активаторов гелеобразования применяются коррозионно-активные
кислоты, составы характеризуются низкой морозоустойчивостью, а

образующиеся гели имеют недостаточно высокие структурно-механические свойства.

Существует необходимость создания изолирующих композиций на
основе концентрированных щелочных золей кремниевой кислоты,

характеризующихся регулируемым временем структурообразования в

присутствии нетоксичных активаторов гелеобразования, высокими структурно-механическими свойствами образующихся гелей, высокой проникающей способностью, морозоустойчивостью. Изучение свойств композиций на основе золя кремниевой кислоты, предназначенных для ограничения водопритоков в интервалах с низкой пропускной способностью, представляет не только теоретический интерес, но и имеет большое практическое значение, что предопределяет актуальность исследований в данном направлении.

Степень разработанности темы

Представления о химии золей кремниевой кислоты обобщены в работах отечественных (Ю.Г. Фролов, В.В. Стрелко, Е.Д. Щукин, П.Д. Саркисов, В.В. Попов, Н.В. Чураев, Н.А. Шабанова) и зарубежных (Р. Айлер) ученых. Значительный вклад в разработку и совершенствование технологий ограничения водопритока, а также ремонтно-изоляционных работ внесли: В.А. Блажевич, А.Ш. Газизов, И.И. Клещенко, Л.Е. Ленченкова, Е.В. Лозин, В.А. Стрижнев, А.Г. Телин, В.Г. Уметбаев, Е.Г. Умрихина и многие другие отечественные и зарубежные ученые.

Цель диссертационной работы. Разработка и исследование состава на основе щелочного золя кремниевой кислоты для применения в качестве изоляционного материала при борьбе с заколонными перетоками и межколонными давлениями в нефтяных и газовых скважинах.

Основные задачи исследований:

1. Изучение закономерностей гелеобразования в щелочном золе кремниевой кислоты под действием активаторов (натриевых солей

5 органических и неорганических кислот, органических кислот, эфиров уксусной кислоты) при различных температурах.

1. Исследование технологических свойств гелеобразующей композиции для ремонтно-изоляционных работ в нефтяных и газовых скважинах (прочностных свойств, морозоустойчивости, стабильности в присутствии цементного камня).

2. Разработка гелеобразующей композиции для устранения заколонных перетоков и межколонных давлений в нефтяных и газовых скважинах.

Методология и методы исследования. Поставленные в работе задачи решались путем анализа научно-технической литературы и патентного поиска, лабораторных исследований с использованием современного научно-исследовательского оборудования и стандартных методов анализа, а также специальных исследовательских методик.

Научная новизна работы:

1. Установлено, что добавление наноцеллюлозы и/или анионного
полиакриламида в концентрациях 0,03-0,1% в золь кремниевой кислоты
приводит к росту прочности геля в процессе старения (по сравнению с гелем
без полимера).

3. Установлено, что зависимость логарифма времени гелеобразования в щелочном золе кремниевой кислоты от концентрации активатора гелеобразования при 25-90С является линейной для всех исследуемых активаторов (натриевых солей органических и неорганических кислот, органических кислот, эфиров уксусной кислоты). Показано, что скорость гелеобразования уменьшается по мере увеличения размера аниона натриевой соли.

4. Обнаружено, что при гелеобразовании в щелочном золе кремниевой кислоты наблюдается «компенсационный» эффект (симбатное изменение эффективной энергии активации и предэкспоненциального множителя гелеобразования).

6 Теоретическая ценность. В работе описана кинетика гелеобразования в щелочных золях кремнезема, установлено влияние размера анионов натриевых солей на скорость гелеобразования, обнаружен «компенсационный» эффект, что дополняет теоретические положения по вопросам агрегативной устойчивости и гелеобразования в щелочных золях кремниевой кислоты.

Практическая значимость работы:

1. Разработана гелеобразующая композиция для ремонтно-изоляционных
работ в скважинах. Определены оптимальные условия применения, такие, как
концентрация кремнезема, тип и концентрации активатора, концентрация
упрочняющей добавки, концентрация глицерина, регулирующего
низкотемпературные свойства.

2. Разработаны технические условия, ноу-хау на производство
гелеобразующей композиции, а также технологический регламент
промыслового применения.

3. Опытно-промысловые испытания показали высокую эффективность
композиции при устранении межколонного давления, заколонных перетоков и
негерметичности муфтовых соединений колонн.

Положения, выносимые на защиту

1. Закономерности влияния концентрации и типа активатора гелеобразования (натриевых солей органических и неорганических кислот, эфиров уксусной кислоты, органических кислот), температуры на время гелеобразования в щелочном концентрированном золе кремниевой кислоты.

2. Зависимости изменения прочности концентрированных гелей кремниевой кислоты при добавлении водорастворимых полимеров.

3. Технологические свойства гелеобразующей композиции для ремонтно-
изоляционных работ в интервалах с низкой приемистостью: прочность геля,
морозоустойчивость, совместимость с цементным камнем.

Степень достоверности результатов проведенных исследований

Основные научные положения, изложенные в работе, достаточно полно и убедительно подтверждены результатами экспериментальных исследований с

7
использованием современного оборудования и воспроизводимостью

полученных данных.

Апробация результатов исследования

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на V Международной научно-практической конференции «Наноявления при разработке месторождений углеводородного сырья: от наноминералогии и нанохимии к нанотехнологиям» – «NANOTECHOILGAS-2016» (г. Москва, 22-23 ноября 2016 г.); ХХI Международной научно-практической конференции «Реагенты и материалы для строительства, эксплуатации и ремонта нефтяных, газовых и газоконденсатных скважин: производство, свойства и опыт применения. Экологические аспекты нефтегазового комплекса» (г. Суздаль, 6-9 июня 2017 г.); семинаре «Применение нанотехнологий в нефтегазовой отрасли. Внедрение пластовых нанороботов и бионанороботов, использование наноматериалов для увеличения нефтеотдачи пластов, «умные наножидкости» (г. Самара, 26 октября 2017 г.), ХIII Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России» (г. Москва, 12-14 февраля 2018 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе, 3 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК Министерства образования и науки РФ, 1 статья, индексируемая в базе данных Web of Science.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы (165 ссылок). Материал диссертации изложен на 142 страницах машинописного текста, включает 29 таблиц, 28 рисунков.