Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ составов технологических жидкостей, применяемых для изоляционных работ при капитальном ремонте скважин 13
1.1. Требования, предъявляемые к изолирующим жидкостям при выполнении ремонтно-восстановительных работ 14
1.2. Технологические жидкости для временной изоляции продуктивного пласта 14
1.3. Технологические жидкости для изоляции водопритоков в скважинах 20
1.4. Обоснование направления исследований 36
2. Методика исследований составов изолирующих жидкостей, используемые материалы и приборы 39
2.1. Методика исследований технологических жидкостей для временной изоляции продуктивного пласта, приборы и установки для исследований 39
2.2. Методика исследований составов водоизолирующих жидкостей, приборы и установки для исследований 42
2.3. Реагенты, используемые для приготовления технологических жидкостей 45
3 Разрботка технологических жидкостей для временной изоляции продуктивного пласта 53
3.1. Жидкость для временной изоляции пласта с конденсированной твердой фазой (гидросолегель) на основе хлористого кальция 53
3.1.1. Теоретические предпосылки разработки блокирующей жидкости 53
3.1.2. Механизм образования смешанных форм конденсируемых дисперсий 57
3.1.3. Выбор оптимального состава блокирующей жидкости 60
3.1.4. Исследования влияния ПАВ на блокирующие свойства и восстановление проницаемости искусственных кернов 62
3.1.5. Исследования влияния высоких температур и давлений на свойства блокирующей жидко- 65 сти
3.2. Жидкость для временной изоляции продуктивного пласта на основе высокомодульных силикатных компози ций 66
3.2.1. Химические основы формирования блокирующей жидкости из высокомодульных силикатов с целлюлозным наполнителем 67
3.2.2. Исследования влияния различных компонентов состава блокирующей жидкости на проницаемость искусственных кернов. Выбор оптимальных рецептур 72
3.3. Пены для временной изоляции продуктивного пласта,
устойчивые к воздействию газового конденсата и сильно минерализованных пластовых вод 81
3.3.1. Особенности пенообразования в среде вода -углеводородная жидкость 81
3.3.2. Разработка состава пенообразующей жидкости 83
3.4. Полимерный состав жидкости для временной изоляции продуктивного пласта 86
3.4.1. Разработка состава жидкости Выбор оптимальных рецептур 86
3.4.2. Результаты лабораторных исследований полимерного изолирующего раствора 89
3.5. Технология приготовления блокирующих жидкостей - 91
4. Исследования составов технологических жидкостей для изоляции водопритоков 93
4.1. Водоизолирующая жидкость на основе карбамидно-формальдегидной смолы 93
4.1.1. Механизм реакции поликонденсации карбамид-но-формальдегидных смол 93
4.1.2. Разработка состава технологической жидко- 94 сти
4.1.3. Результаты лабораторных исследований водо-изолирующих свойств технологической жидкости на основе карбамидно-формальдегидных смол 99
4.2. Жидкость для изоляции водопритоков на основе высо
комодульных силикатов 100
4.2.1. Особенности химических процессов при формировании солеобразующих водоизолирующих жидкостей 101
4.2.2. Теоретические основы процесса гелеобразования высокомодульных силикатов 102
4.2.3. Разработка составов водоизолирующих жидкостей 105
4.2.4. Изучение селективных свойств водоизоляцион-ной жидкости на основе высокомодульных силикатов 114
5. Опытно- промышленные испытания составов изолирующих жидкостей 117
Заключение 127
Список использованных источников
- Требования, предъявляемые к изолирующим жидкостям при выполнении ремонтно-восстановительных работ
- Методика исследований технологических жидкостей для временной изоляции продуктивного пласта, приборы и установки для исследований
- Жидкость для временной изоляции пласта с конденсированной твердой фазой (гидросолегель) на основе хлористого кальция
- Водоизолирующая жидкость на основе карбамидно-формальдегидной смолы
Введение к работе
Актуальность работы. В связи с возрастающей ролью газа в топливно-энергетическом балансе страны особое внимание в настоящее время уделяется максимальному извлечению углеводородного сырья из месторождений и повышению нефте-газоотдачи пластов. Текущее состояние разработки многих длительно эксплуатируемых месторождений России характеризуется интенсивным обводнением и снижением темпа отбора углеводородного сырья. Это объясняется результатом выработки запасов газа и газового конденсата на многих месторождениях, вступающих в позднюю стадию разработки. В то же время около 10-50 % запасов газа остаются неиз-влеченными. Восполнение извлекаемых газов за счет ввода новых месторождений в эксплуатацию происходит в незначительных объемах, что не может компенсировать текущее падение добычи на эксплуатируемых месторождениях. К тому же следует отметить, что вводимые в эксплуатацию месторождения, как правило, представлены менее продуктивными и слабопроницаемыми коллекторами, характеризующимися как пласты с трудноиз-влекаемыми запасами. В связи с этим основной объем добычи углеводородного сырья и сегодня приходится на месторождения, введенные в эксплуатацию в 60-80 годах. Нарушение оптимально возможных режимов в период интенсивного отбора газа на многих месторождениях резко осложнило их дальнейшую эксплуатацию. Многолетний опыт эксплуатации месторождений показал, что для стабилизации добычи углеводородного сырья, важное значение имеет поддержание эксплуатационного фонда скважин в рабочем состоянии, которое можно реализовать путем совершенствования технологии ремонтных работ, включающих комплекс технологических мероприятий, среди которых особое внимание уделяется глушению скважин и изоляционным работам по ликвидации притоков пластовых вод.
Глушение скважин представляет собой комплекс мероприятий по вы-
6 бору, приготовлению и закачке в скважину специальных жидкостей, обеспечивающих прекращение поступления газа в скважину, при этом должно быть обеспечено качественное и безаварийное проведение ремонтных работ.
Рациональный выбор жидкости глушения осуществляется с учетом горно-геологических условий месторождений, что способствует предупреждению таких осложнений, как поглощение жидкости глушения продуктивным пластом, газопроявления, снижение продуктивности скважин в по-слеремонтный период, коррозионное разрушение подземного оборудования и др. При этом особое внимание должно уделяться максимально возможному уменьшению вредного влияния жидкости глушения на проницаемость продуктивного пласта, которое часто является основной причиной послере-монтного снижения производительности скважин.
Особые трудности возникают при проведении ремонтных работ на месторождениях и ПХГ с АНПД, где перепады давления на пласт достигают значительных величин (даже при применении облегченных промывочных жидкостей). Поэтому, при прочих равных условиях жидкости глушения должны обязательно обладать способностью временной изоляции продуктивного пласта с целью сохранения его проницаемости.
В мировой и отечественной практике накоплен богатый опыт в области разработки составов технологических жидкостей для временной изоляции продуктивного пласта. С этой целью в качестве жидкостей глушения используются пенные системы, эмульсии, высокоминерализованные жидкости, полимерные системы, гелеобразующие композиции. Вопросы временной изоляции продуктивного пласта рассматривались в работах Амияна В.А., Амияна А.В., Акулышша А.И., Галяна Д.А., Гасумова Р.А., Духненко Е. М., Долгова С. В., Зарубина Б. Н., Нифантова В. И., Рябо-конь С.А., Тагирова К.М., Шарипова A.M., Шмелькова В.Е. и др.
Однако опыт промышленного применения таких жидкостей показал, что многообразие горно-геологических условий месторождений не позволяет одинаково успешно использовать известные блокирующие жидкости. В связи с этим возникает необходимость совершенствования и создания новых рецептур технологических жидкостей.
Второй важнейшей задачей сохранения производительности газовых скважин является борьба с их обводненностью. Решению этой задачи посвящено значительное количество работ в научно-технической и патентной литературе. Для снижения многих негативных последствий обводнения продуктивных пластов, вовлечения в разработку низкопроницаемых коллекторов и повышения степени выработки запасов углеводородного сырья из неоднородных пластов различные организации применяют разнообразные физико-химические способы воздействия на пласт. Вопросы изоляции притока пластовых вод широко освещены в работах Алтуниной Л.К., Баль-декова А.У., Бережного А.И., Земцова Ю.В., Ишкаева Р.К., Кана В.А., Кув-шинова В.А., Маляренко А.В., Мухаметзяновой Р.С, Нурбаева Б., Скороди-евской Л.А., Фахретдинова Р.Н. и др.
Необходимость дифференцированного подхода к выполнению изоляционных работ в конкретных горно-геологических, технологических и климатических условиях эксплуатации месторождений определила направления работ: проведение исследований по совершенствованию и разработке рецептур новых изолирующих жидкостей, обеспечивающих не только предупреждение осложнений, но и повышение продуктивности скважин в по-слеремонтный период.
Цель работы: Разработка широкого спектра технологических жидкостей для временного блокирования пластов и изоляции пластовых вод в условиях АНПД, способных существенно повысить качество ремонтно-восстановительных работ в скважинах.
Основные задачи исследований:
1.Анализ свойств и опыта применения жидкостей для временного блокирования продуктивных пластов и ликвидации водопритоков с целью определения основных направлений их дальнейшего совершенствования.
2. Разработка оптимальных составов жидкостей, обладающих блоки
рующими пласт свойствами, для различных горно-геологических условий
на основе гидросолегелей, высокомодульных силикатных композиций, ра-
диализованного полиакрил амида и др.
Анализ закупоривающей способности блокирующих жидкостей различного состава с целью установления области их рационального применения.
Оценка способности закупоривающих жидкостей к деблокированию продуктивного пласта при вызове притока.
5 .Разработка оптимальных составов и технологии применения жидкостей для ликвидации водопритоков на основе карбамидно-формальдегид-ных смол и высокомодульных силикатов.
6. Проведение опытно-промышленных испытаний разработанных технологических жидкостей.
Методы решения задач основаны на обобщении многолетнего опыта в области создания и практического использования технологических жидкостей для временного блокирования продуктивных пластов и изоляции водопритоков и на результатах собственных теоретических, лабораторных и стендовых исследований кинетики химических процессов с использованием современных лабораторных приборов и установок, математических методов обобщения результатов на ЭВМ и др.
Научная новизна. На основании теоретических и экспериментальных исследований по изучению влияния технологических жидкостей на коллек-торские свойства продуктивных пластов получены следующие технологи-
ческие решения по разработке рецептур изолирующих жидкостей для временного блокирования продуктивного пласта и изоляции притока пластовых вод, позволяющие обеспечить надежную изоляцию и сохранить естественную проницаемость продуктивного пласта при проведении ремонтных работ в скважинах:
Установлено, что наиболее эффективными жидкостями блокирования продуктивных пластов, представленных неустойчивыми породами являются тиксотропные системы, в частности гидросолегели. На уровне изобретения разработан состав на основе хлористого кальция и диаммоний-фосфата (пат. РФ 2012776)
На основе теоретического обоснования кинетики химических процессов коллоидных кремнеземов дано научное обоснование выбора материалов и их количественного соотношения, позволяющих при высоком блокирующем эффекте достичь минимального отрицательного влияния на продуктивные характеристики пластов. Разработан состав для временной изоляции продуктивного пласта на основе высокомодульных силикатов с целлюлозным наполнителем (пат. РФ 2150573)
Исследования пенообразующей способности различных поверхностно-активных веществ и факторов, влияющих на пеногашение, позволили разработать рецептуру пенообразующей жидкости для временной изоляции продуктивного пласта, устойчивой к среде газового конденсата и сильно минерализованных пластовых вод. (А.с. СССР № 1609813)
Изучены реологические характеристики блокирующих составов на основе полиакриламида линейной и трехмерной структуры, что позволило сделать вывод о перспективности использования радиализованного полиакриламида в составах для временной изоляции продуктивного пласта (пат. РФ№ 1743249).
Изучен механизм химических процессов различных классов хими-
ческих соединений, в частности высокомодульных силикатов и карбамид-но-формальдегидных смол, что позволило разработать водоизолирующие составы с повышенной прочностью и регулируемыми сроками отверждения для скважин с различной минерализацией пластовых вод.
Основные защищаемые положения.
На защиту выносится научное обобщение результатов лабораторных и промысловых исследований, обеспечивающих эффективное применение разработанных рецептур блокирующих и водоизолирующих технологических жидкостей:
Состав жидкости для временной изоляции продуктивного пласта на основе хлористого кальция и диаммонийфосфата, обеспечивающий надежную изоляцию и сохранение естественной проницаемости в поровых и трещинных коллекторах, представленных неустойчивыми породами.
Состав блокирующей жидкости на основе высокомодульных силикатов с целлюлозным наполнителем для временной изоляции продуктивного пласта в скважинах с большими перепадами давлений
Состав пенообразующей жидкости для глушения скважин в условиях АНПД, устойчивый к газовому конденсату и сильно минерализованной пластовой воде.
Полимерный раствор для временной изоляции пласта на основе ра-диализованного полиакриламида.
Составы водоизолирующих жидкостей на основе высокомодульных силикатов и карбамидно-формальдегидных смол, обеспечивающие надежную изоляцию в скважинах с различной минерализацией пластовых вод.
Практическая ценность и реализация работы
Практическая значимость работы характеризуется соответствием направления исследований содержанию научно-технических программ, в том числе отраслевой программы НИОКР ОАО "ГАЗПРОМ" в области бурения
11 и капитального ремонта газовых и газоконденсатных скважин.
На основании обобщения и проведения теоретических, лабораторных и промысловых исследований разработаны: "Предварительные рекомендации по технологии проведения ремонтных работ на скважинах месторождения Шамхал-Булак"; "Временная инструкция по проведению ремонтных работ на скважинах ПХГ ПО "Югтрансгаз" при аномально высоких пластовых давлениях", "Регламент на технологию временной изоляции призабойной зоны продуктивного пласта при проведении ремонтных работ в скважинах Шебелинского ГКМ".
Результаты проведенных исследований по разработке составов изолирующих жидкостей, выполненные по теме диссертации были реализованы при проведении ремонтных работ на многих месторождениях и ПХГ ОАО "Газпром". Гелевый состав на основе хлористого кальция применялся на скважинах ПХГ ПО "Югтрансгаз", на Северо-Ставропольском ПХГ и ПХГ "Чирен" (Болгария). При глушении скважин на месторождении Шамхал-Булак и Шебелинском газоконденсатном месторождении нашел применение пенообразующая жидкость на основе газового конденсата с мелкодисперсным стабилизатором-аэросилом. Водоизоляционные работы жидкостью на основе высокомодульных силикатов "Силином-30" проведены на ПХГ Саратовской области.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Межрегиональной научно-технической конференции по проблемам газовой промышленности России, посвященной 35-летию ДАО "СевКавНИПИгаз" (Ставрополь, 1997); III Региональной научно- технической конференции "Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону" (Ставрополь, 1999; ); III Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности "Новые технологии в газовой промышленности" (Москва, 1999); совещаниях по капи-
тальному ремонту скважин ПХГ ОАО "Газпром" (Москва, 1996-2000; Краснодар, 1998).
В полном объеме содержание диссертационной работы обсуждено на расширенном заседании кафедры "Бурение нефтяных и газовых скважин" Северо-Кавказского государственного технического университета и НТС бурения и капитального ремонта скважин ОАО "СевКавНИПИгаз".
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 17 печатных работ, в том числе 4 охранных документа (авторские свидетельства и патенты) на разработанные рецептуры технологических жидкостей для изоляционных работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 156 наименований. Работа изложена на 148 страницах машинописного текста, содержит 27 рисунков и 20 таблиц.
Автор выражает глубокую благодарность за консультации доктору технических наук, профессору, заслуженному деятелю науки РФ, академику АГН РФ, действительному члену РАЕН Тагирову К.М., доктору технических наук, члену-корреспонденту РАЕН Гасумову Р.А., кандидату технических наук Пуле Ю.А., кандидату геолого-миралогических наук Гриди-ну В.А., сотрудникам ОАО "СевКавНИПИгаз" Каллаевой Р.Н., Серебрякову Е.П., Гаврилову А.А. за творческое участие в разработке изолирующих составов, а также сотрудникам, принимавшим участие во внедрении разработанных технологических жидкостей - Долгову СВ., Акопову С.А., Тагирову O.K., Бекетову СБ.
Требования, предъявляемые к изолирующим жидкостям при выполнении ремонтно-восстановительных работ
При выборе промывочных жидкостей для проведения ремонтно-восстановительных работ основное внимание уделяется сохранению проницаемости призабойной зоны.
Анализ отечественных и зарубежных источников в области разработки технологических жидкостей для временной изоляции продуктивного пласта показал, что изолирующие жидкости для этих целей можно разделить на две группы: жидкости на водной и углеводородной основе. В первую группу входят растворы минеральных солей, гелеобразующие жидкости, растворы с конденсированной твердой фазой, прямые эмульсии, пены. Вторая группа включает товарную или загущенную нефть, известково-битумные растворы и обратные эмульсии с содержанием водной фазы до 70%.
На месторождениях с аномально низкими пластовыми давлениями (АНПД), а также подземных хранилищах газа (ПХГ) часто используют двух- и трехфазные пены. [1-6 ] В состав первых, как правило, входят вода, ПАВ и стабилизатор из группы водорастворимых полимеров, в состав вторых- дополнительно высокодисперсная твердая фаза. Блокирующий эффект при глушении пенными системами объясняется физико-химическими процессами, происходящими в призабойной зоне при проникновении пены в пласт: разрушением гидратных слоев на твердой поверхности и частичной ее гидрофобизацией в результате адсорбции ПАВ; прилипанием пузырьков пены к поверхности поровых каналов, вязкостными свойствами пен; увеличением межфазной поверхности при фильтрации пены через пористую среду и проявлением эффекта Жамена.
В процессе глушения газовых и газоконденсатных скважин пенными системами необходимо учитывать, что некоторые жидкости, закачиваемые в скважину в целях предупреждения гидратообразования, а также электролиты значительно снижают устойчивость пен. Кроме того, газовый конденсат, находящийся в скважинах на газоконденсатных месторождениях также является пеногасителем. Пенообразующие составы, устойчивые к действию газового конденсата, разработаны в СевКавНИПИгазе. С большой эффективностью применяется на газовых и газоконден сатных скважинах в условиях АНПД разработанный в СевКавНИПИгазе пенообразующий состав для глушения скважин на основе незамерзающей пенообразующей жидкости (НПОЖ) с торфощелочным наполнителем (ТЩН) [7-11]. Состав содержит хлористый кальций, лигносульфонат (ССБ, КССБ или СДБ), углеводородную фазу (газовый конденсат, дизтопливо или нефть) и наполнитель. Пена, приготовленная из НПОЖ с ТЩН устойчива к среде минерализованных вод и газового конденсата, работоспособна при отрицательных температурах, легко разрушается недефицитным пеногаси-телем. Блокирующий эффект наполнителя усиливается коллоидной фазой, которая образуется при взаимодействии высокомолекулярной фракции лиг-носульфонатов с хлористым кальцием (высаливание лигносульфонатов). Образующиеся коллоидные комплексы, представляют собой пучок цепочек лигносульфонатных кислот, связанных между собой через сульфогруппы ионами кальция. Добавление в систему газоконденсата приводит к образованию гидрофильной эмульсии (дисперсионная среда - водный раствор), причем коллоидные комплексы образуют адсорбционный слой эмульгатора с гелеобразной структурой. При вспенивании системы образуется дисперсная система, состоящая из двух фаз: воздуха (за счет низкомолекулярной фракции лигносульфонатов, обладающей повышенной активностью и высоким воздухововлекающим эффектом) и газоконденсата. Макромолекулы низкомолекулярной фракции адсорбируются на поверхности раздела: водный раствор - воздух, ориентируясь гидрофобными концами в сторону воздушных пузырьков, а гидрофильными - в водный раствор. Они образуют прочную пленку, окружающую пузырьки воздуха и препятствующие истечению жидкости из пены (выполняют роль твердого эмульгатора). Хлористый кальций в составе, кроме вышеописанной функции, выполняет также функцию антифриза.
Методика исследований технологических жидкостей для временной изоляции продуктивного пласта, приборы и установки для исследований
Исходя из требований, предъявляемых к технологическим жидкостям для временной изоляции продуктивного пласта, основными показателями, характеризующими эффективность блокирующих составов, являются закупоривающая способность и влияние на проницаемость коллектора. Для изучения блокирующего эффекта и влияния технологических жидкостей на коллекторские свойства продуктивного пласта применялась методика исследования изменения проницаемости искусственных кернов до изоляции и после деблокирования. В качестве моделей кернов использовали кварцевый песок различных фракций (0,14-0,35; 0,315-0,63; 0,63-1,0 мм). Величина проницаемости испытуемых образцов соответствовала пределам естественной проницаемости продуктивных пород, определенных лабораторными и геофизическими исследованиями. Для приготовления кернов с высокой проницаемостью использовали кварцевый песок и керамзит определенного фракционного состава, которые помещали в кернодержатель. Для проведения исследований была создана специальная установка для кольма-тации и определения газопроницаемости образцов-моделей. Схема установки приведена на рис. 1. Установка состоит из двух автономных линий - для насыщения образцов-моделей и для испытания их на газопроницаемость. В качестве газа использовали азот. Из баллона 1 азот через редуктор 2 поступает по трубопроводу до распределительных кранов 3, откуда он разводится по направлениям. В линию для исследования газопроницаемости образцов, газ через редуктор 2 подается в камеру 7 с искусственным керном, а затем на газовый счетчик 8. Перепад давления на образце контролируется образцовыми манометрами 4. Проницаемость образца рассчитывали по формуле [101]: К F{P?-P?) где /л - динамическая вязкость, Па с; Ратм - атмосферное давление, Па; q - расход прокачиваемого воздуха, м3/с; L - длина образца, м ; F - площадь сечения образца, м2; Р] иР2- давление на входе и выходе испытуемого образца, Па.
Линия для насыщения и кольматации образцов-моделей состоит из гидравлического пресса 5, распределительных кранов 3, приемной камеры с реагентом 6, камеры с образцом-моделью 7 и манометров 4.
Блокирующая жидкость из камеры 6 подается по трубопроводу в камеру с образцом моделью 7. Необходимое давление про давки обеспечивается гидравлическим прессом 5. Образец оставляют под давлением и течение двух часов и фиксируют показания манометра. Затем керн деблокируют путем обратной продувки азотом и повторно измеряют проницаемость. Анализ изменения давления при блокировании и сопоставление результатов измерения проницаемости искусственных кернов до блокирования и после деблокирования позволяют делать выводы о пригодности испытуемых составов.
Давление продавки блокирующей жидкости выбирали в соответствии с предложенной СевКавНИПИгазом технологией в каждом конкретном случае, исходя из горно-геологических условий месторождения с расчетом, чтобы его величина была выше пластового давления и ниже давления оп-рессовки эксплуатационной колонны или гидроразрыва пласта [ 102].
За условное давление блокирования принимали уровень давления, при котором темп его снижения - величина незначительная (порядка 0,01 МПа/мин)
Коэффициент восстановления проницаемости - отношение значений проницаемости керна после деблокирования и до блокирования.
Методика исследования технологических жидкостей для временной изоляции пласта к действию высоких температур и давлений.
Исследование термостойкости изолирующих составов проводили на установке (рис.2), состоящей из камеры высокого давления 1, термостата 2 с ртутным термометром 3, гидравлического пресса 4 для создания первоначального давления в камере высокого давления, манометра 5 и емкости с жидкостью 6.
Жидкость для временной изоляции пласта с конденсированной твердой фазой (гидросолегель) на основе хлористого кальция
При проведении ремонтных работ в скважинах подземных хранилищ газа (ПХГ), созданных на базе истощенных месторождений, возникают большие проблемы с их глушением. Эти проблемы обусловлены циклическим характером работы ПХГ (отбор-закачка) и периодическим изменением величины пластового давления (от аномально низкого в конце отбора до аномально высокого в конце закачки).
В условиях аномально низких пластовых давлений (АНПД), что свойственно периоду отбора газа из хранилища, проблема предотвращения поглощений успешно решается путем использования при ремонте пенных систем. Однако в силу специфики эксплуатации ПХГ применение пен ограничено в период проведения ремонтных работ в условиях аномально высоких пластовых давлений (АВПД).
В последние годы в качестве блокирующих жидкостей все чаще стали применять дисперсные коллоидные системы, которые можно получать двумя противоположными способами: диспергированием, т.е. измельчением крупных частиц в сухом состоянии или в жидкой среде, и конденсационным. Для конденсирования новой фазы необходимо прежде всего создать условия, при которых система, называемая в данном случае маточным раствором, становится пересыщенной к одному или нескольким веществам, входящим в ее состав. К этим условиям относятся: -изменение, как правило, уменьшение температуры раствора; -замена лучшего растворителя на худший, т.е. введение в маточный раствор вещества, снижающего растворимость уже диссоциированных ио 54 нов, но не вступающего с ними в реакцию обмена; -смешение двух и более электролитов, которые вступают друг с другом в обменную реакцию с образованием труднорастворимых частиц.
Наибольшее число труднорастворимых соединений могут быть получены в результате следующих четырех видов реакций обменного разложения: между солью и основанием или его ангидридом RX + Ме(ОН) = і R(OH) + Ме(Х); между двумя солями МеХ + RY = MeY + RX; между кислотой или ее ангидридом и солью НХ + MeY = ІМеХ + HY; между кислотой и основанием НХ + Ме(ОН) = ІМеХ + НОН.
В написании уравнений реакций приняты обозначения: Me - ион металла, ОН - ион гидроксила; X, Y - кислотные остатки; Н - ион водорода; R -химический радикал.
Очевидным является факт, что свойства полученной дисперсной фазы во многом определяется типом химической реакции. В результате первой реакции образуются гидроокиси, жидкости на их основе называются гидрогелями. В результате следующих трех реакций образуются соли, поэтому по аналогии технологические жидкости на их основе называются солегелями.
Выбор оптимального способа получения дисперсной фазы определяется назначением состава. Так, получение стабильных буровых растворов с конденсированной твердой фазой и получение блокирующих технологических жидкостей преследуют различные цели: для промывки скважин необходима тиксотропная и высокостабильная система с минимальной концентрацией твердой фазы, в то время как для получения изоляционных составов необходимо получить концентрированные суспензии или взвеси, имеющие частицы разных по размеру частиц. Поэтому в бурении наиболее широко применяются гидрогели, для ремонтных работ - солегели.
Гидрогели и солегели - это системы, отличающиеся друг от друга не только терминологически, они имеют различные коллоидно-химические свойства и по-разному поддаются направленному регулированию. В гидрогелях, как правило, образуются соединения, состоящие из ренгеноамофной (гелеобразной) фазы, в солегелях - из мелкокристаллической.
Конденсированная фаза в гидрогелях со временем утрачивает агрега-тивную устойчивость. Свежеприготовленные осадки обычно обладают сильно развитой поверхностью и соответственно избыточным запасом свободной энергии. Поэтому они являются неустойчивыми образованиями. Частицы осадка постепенно укрупняются за счет растворения частиц мельчайших фракций и совершенствования их формы. Наряду с физическими изменениями осадка в системе могут протекать различные химические превращения, которые отражаются на дисперсности, форме частиц, их сорбци-онной активности и, в конечном счете, на физико-химических свойствах дисперсной системы. Так в гидрогеле магния рентгеноаморфный гидроксид магния Mg(OH)2 превращается в брусит - кристаллический Mg(OH)2 и другие более сложные соединения. Гидрогели алюминия А1(ОН)3 по этой же причине также характеризуются неустойчивостью. С течением времени, а также с повышением температуры даже на незначительную величину, что всегда имеет место в скважинах в реальных условиях, происходит так называемое старение геля, которое выражается прежде всего заметным уменьшением растворимости в кислотах, что объясняется кристаллизацией в виде гидраргиллита.
Водоизолирующая жидкость на основе карбамидно-формальдегидной смолы
Как показали исследования, основным методом борьбы с притоками подошвенных вод в газовых скважинах до настоящего времени остается установка цементных мостов с последующей перфорацией новых интервалов коллектора. Но этот способ недостаточно эффективен, так как часто конус подошвенной воды через некоторое время подтягивается к новым интервалам перфорации.
Эффективность изоляционных мостов может быть повышена созданием барьера притоку пластовых вод в глубине водоносной части пласта. Для этой цели нами разработан состав технологической жидкости на основе кар-бамидно-формальдегидных смол, имеющей сравнительно низкую вязкость и регулируемые сроки отверждения [142]
В неотвержденном состоянии карбамидно-формальдегидные смолы представляют собой коллоидные растворы с глобулами диаметром 0,02-0,05 мкм из цепных макромолекул метилольных соединений с примесью свободного формальдегида. - стадия свободнодисперсной структуры, отличающаяся постоянством значений вязкости; - стадия связно-дисперсная, включающая фазы скрытой коагуляции и гелеобразования. На стадии скрытой коагуляции глобулы соединяются в коллоидные агрегаты без выделения их из раствора. В период гелеобразования из золя непрерывно выделяются продукты коллоидной агрегации с образованием жесткого пространственного каркаса. Следует отметить, что при малом соотношении компонентов золя количество продуктов коллоидной агрегации может оказаться недостаточным для образования жесткого каркаса. Тогда происходит их седиментация; - стадия упрочнения структурных связей соответствует лавинному на растанию структурной прочности с агломерацией структурных элементов до образования сплошной аморфной массы.
В результате экспериментальных исследований нами подобраны составы, компоненты которых находятся в количестве, недостаточном для образования жесткого каркаса, что исключает нежелательные осложнения при закачивании реагентов.
Введение в состав замедлителя гелеобразования позволяет регулировать сроки отверждения. Жидкость обладает хорошей проникающей способностью, тж. имеет небольшую вязкость. Условная вязкость по вискозиметру ВП-5 составляет 18-20 с
При необходимости вязкость регулируют изменением концентрации карбамидно-формальдегидной смолы и введением наполнителей. Выбор наполнителя обусловлен проницаемостью коллектора. В качестве наполнителей могут быть использованы известные и весьма доступные материалы, такие как аэросил, глина, мел и древесно-волокнистые наполнители.
Изолирующий экран выдерживает перепад давления 5,0 МПа
Химизм разработанного состава жидкости можно объяснить следующим образом:Атом углерода карбонильной группы формальдегида связан с тремя другими атомами а - связями; поскольку эти связи используют sp -орбитали, они расположены в одной плоскости под углом 120 (2,094 рад) друг к другу (рис. 15). Остающаяся /?-орбиталь атома углерода перекрывается с р-орбиталью кислорода, образуя тг-связь; таким образом, углерод и кислород соединены двойной связью. Часть молекулы, непосредственно окружающая углерод карбонильной группы, плоская; кислород, углерод карбонильной группы и два атома, непосредственно связанные с углеродом карбонильной группы, лежат в одной плоскости.
Электроны двойной связи С = О связывают атомы сильно различающейся электроотрицательности, и поэтому они распределены неравномерно, в частности подвижное 7Г-облако сильно сдвинуто в сторону электроотрицательного атома кислорода.
Поскольку подвижные ти -электроны сильно оттянуты к кислороду, углерод карбонильной группы является электронодефицитным центром, а кислород карбонильной группы - электроноизбыточным. В связи с тем что эта часть молекулы плоская, она относительно доступна для атаки сверху или снизу от этой плоскости в направлении, перпендикулярном к ней. Поэтому эта поляризованная группа очень реакционноспособна.
Важнейшая стадия в этих реакциях - образование связи с электроно-дифицитным центром (кислым) карбонильным углеродом, следовательно, карбонильная группа более всего склонна к взаимодействию с электроноиз-быточными нуклеофильными реагентами, т. е. основаниями (рис.16). Мочевина является слабым основанием. Реакция образования мочеви-но-формальдегидных смол относится к реакциям нуклеофильного присоединения.
