Определение необходимых реагентов для очистки ПЗС

Какую систему выбрать для очистки ствола от фильтрационной корки, зависит от забойных условий и условий образования корки. С точки зрения повышения производительности скважин оптимальная промывочная жидкость для вскрытия продуктивного пласта должна содержать только такие компоненты, которые легко растворяются и диспергируются при освоении скважины. Тем не менее необходимо учитывать, что фильтрационная корка ведет себя иначе, чем жидкость для вскрытия пластов, и может не растворяться и не диспергироваться.

Варианты химической очистки ПЗС могут отличаться в зависимости от способа заканчивания, характеристик пласта и типа промывочной жидкости. Растворы брекеров (жидкости химической обработки) реагируют не только с фильтрационной коркой, но также с породой коллектора и его насыщающими флюидами, оборудованием в стволе скважины. В то же время эти «дополнительные» реакции способны привести к снижению качества вскрытия продуктивного пласта и заканчивания скважины в целом. Таким образом, все эти факторы необходимо учитывать при проектировании и оптимизации программы очистки ПЗС.

Существует 4 основных метода очистки ПЗС:

освоение (очистка) без химической обработки;

обработка с целью удаления полимерных составляющих фильтрационной корки;

очистка ПЗС путем растворения сводообразующего материала (частицы мела, соли) фильтрационной корки;

обработка для удаления как полимерных составляющих, так и твердых частиц.

Обычно химическая обработка используется для удаления фильтрационной корки, когда компоновка оборудования заканчивания уже находится в стволе скважины. Поэтому оборудование должно обеспечивать контакт растворов очистки с фильтрационной коркой. Это может быть специальное промывочное устройство (труба), гибкая или обычная НКТ, осуществляющая изоляцию остального оборудования с помощью промывочных манжет, которые позволяют разместить жидкость очистки в необходимом месте.

Целью обработки является разрушение фильтрационной корки и предотвращение закупорки оборудования заканчивания остатками реакций жидкости очистки. Химические реагенты могут реагировать с полимерами, которые связывают твердые частицы, чтобы разрушить и полимеры и структуру, образованную твердой фазой корки.

Частицы бурового шлама, входящие в структуру корки, способны снизить эффективность действия растворов специальных реагентов. Эффективность обработки часто определяется временем (временем реакции), необходимым для прорыва корки и потерями жидкости. Быстрый прорыв корки может являться неэффективным и даже опасным, т.к. раствор брекеров может быстро просачиваться сквозь высокопроницаемые зоны, не разрушая фильтрационную корку по всей поверхности ствола в продуктивном пласте (рис. 1, фото 2). Раствор брекеров с долгим временем реакции может способствовать достижению последующих высоких дебитов скважины за счет равномерной обработки во всем интервале, в т.ч. и на участках с различной проницаемостью (фото 3).

Химические брекеры (разрушители, растворители) могут быть разделены на 4 основные группы:

кислоты;

оксиданты;

энзимы;

хелаты.

Выбор соответствующего брекера будет зависеть от типа фильтрационной корки, которую необходимо удалить, компонентов корки, на которые предполагается воздействовать, состава жидкости заканчивания, забойной температуры и способа заканчивания. Поэтому треуется проведение лабораторных исследований с целью определения эффективности брекеров. Такие исследования должны включать совместимость раствора брекера как с жидкостью заканчивания, так и оценку возможных реакций с промывочной жидкостью, пластовым флюидом и породами (минералами) продуктивного пласта.

Поскольку фильтрационная корка образуется в процессе фильтрации промывочной жидкости для вскрытия продуктивных пластов, то необходим критический анализ компонентов, входящих в состав этой жидкости. Критическими компонентами являются:

1. Сводообразующие материалы (твердая фаза):

карбонат кальция (Safe-Carb) — растворители: кислоты, чиланты;

фракционированные частицы соли (Flo-Wate) — растворители: пресная вода, ненасыщенные растворы солей.

2. Загустители-структурообразователи (полимеры):

ксантовая смола (XC-биополимер, Duovis, Flo-Vis Plus) — растворители: окислители;

склероглюканы (Biovis) — растворители: окислители.

3. Реагенты для снижения фильтрации (полимеры):

модифицированный крахмал (Flo-Trol, Dual-Flo и др.) — растворители: кислоты, окислители, энзимы.

4. Буровой шлам:

песок: обычно не представляет проблемы, поскольку он нерастворим;

глинистые частицы: трудноудалимы. Лучше всего поддерживать их минимальную концентрацию в промывочной жидкости с помощью оборудования по удалению твердой фазы или разбавлением. Глинистые частицы могут быть растворены специальными «глинокислотными» системами, однако такие обработки, как правило, способны привести к повреждению оборудования заканчивания. Обработки растворами ПАВ могут улучшить удаление глинистой фазы, однако в некоторых типах оборудования заканчивания это способно привести к его закупорке.

Обработка ПЗС растворами кислот

Кислоты традиционно используются для очистки после полимерных буровых растворов на водной основе. Растворы кислот действуют и на биополимеры, входящие в состав фильтрационной корки и на карбонат кальция. Они разрушают полимеры путем гидролиза. Обработка ПЗС растворами кислот требует проведения анализа начала действия кислот, т.к. часто кислоты прорывают фильтрационную корку «языками», идя по пути наименьшего сопротивления (рис. 1, фото 4).

Кислоты малоэффективны при обработке ПЗС после растворов на углеводородной основе. Однако их также применяют при очистке ПЗС после обратимой эмульсионной системы (Faze-Pro). Диапазон температуры применения большинства растворов кислот находится в пределах 45-120°С. Наиболее распространенным на нефтяных месторождениях является раствор соляной кислоты концентрацией 5-28%. Он может использоваться одиночно или совместно с органическими кислотами.

Недостатки киcлот

В нефтегазовой промышленности применяют растворы минеральных и органических кислот. Для избежания образования налета и осадка необходимо проводить исследования на совместимость кислот с другими технологическими жидкостями. Растворы кислот также представляют опасность при их практическом использовании:

минеральные кислоты реагируют со многими материалами, особенно при повышенных температурах. При кислотных обработках как в процессе освоения скважины, так и при последующих опрерациях по стимуляции возможна коррозия забойного оборудования. Кислотная коррозия может привести к авариям с НКТ или повреждениям забойного оборудования по контролю песка;

при проникновении в пласт кислота может реагировать и растворять цемент породы, увеличивая таким образом проницаемость. С другой стороны, разрушение цемента способно привести к образованию мелких частиц, которые при движении могут закольматировать поровое пространство и ухудшить коллекторские свойства продуктивного пласта;

агрессивное действие минеральных кислот делает точную установку ванн проблематичной. Кислоты начинают разрушительный процесс как только контактируют с фильтрационной коркой, т.е на забое скважины. После разрушения фильтрационной корки кислота может проникнуть вглубь породы быстрее, чем она будет вымыта на поверхность. Это также может привести к неполной очистке ПЗС;

кислоты теряют реакционную способность при разбавлении или нейтрализации (возможно также путем разбавления) или реакции с породами пласта или остатками промывочной жидкости. В результе использования недостаточного количества или недостаточной концентрации кислоты фильтрационная корка может быть разрушена не полностью;

слабые (истощенные) растворы кислот могут приводить к осадкообразованию частиц, которые растворимы при низких значениях рН, однако становятся нерастворимыми в истощенных растворах кислот. Например, железо может осаждаться как желеобразный материал в кислотном растворе, истощенном при растворении карбоната кальция. Поэтому кислотные составы часто содержат железохелатирующие реагенты.

Как кислоты, так и окислители являются агрессивными, высокореактивными химикатами, и с ними необходимо обращаться в соответствии с правилами техники безопасности.

Высокие концентрации кислот при повышенных температурах способны привести к быстрому прорыву корки и проникновению раствора кислоты вглубь коллектора (фото 4). При этом кислота может фильтроваться в пласт и не участвовать в дальнейшем разрушении фильтрационной корки. Другими негативными последствиями применения кислотных обработок может являться флокуляция и диспергирование глинистых частиц, находящихся в коллекторе.

Кислоты несовместимы со многими синтетическими полимерами, например такими, как полиакриламиды.

Применение окисляющих брекеров (окислителей, оксидантов)

Окислители включают гипохлориты, пербораты, пероксиды и персульфаты. Эти химикаты реагируют с органическими полимерами, и диапазон их реакционной способности достаточно широк. Они могут вступать в реакции как с металлическими поверхностями труб, так и с породами продуктивных пластов. Эффективность (реакционная способность) химикатов снижается после реакции. Температура применения окислителей находится в диапазоне от 25 до 95°С. Некоторые растворы окислителей имеют узкие температурные диапазоны, в то время как другие работают во всем диапазоне температур.

Окислители «отдают» кислород при высоких температурах, который химически взаимодействует и разлагает полимерные составляющие фильтрационной корки. Они применяются самостоятельно или как стадия двустадийной очистки с кислотной обработкой.

Принято считать,что персульфатные брекеры реагируют только дважды. Действительно, при реакции они могут образовать только 2 гидроксил-радикала, однако эти 2 радикала могут реагировать снова и снова сотни и тысячи раз. Эта реакция представляет собой истинный процесс катализа, с помощью которого персульфаты являются эффективными брекерами для полимеров полисахаридной группы, например таких, как ХС-биополимеры.

Скорость, при которой молекулы персульфатов образуют 2 радикала, зависит от температуры. При температурах ниже 50°С этот процесс происходит достаточно медленно. Согласно исследованиям в общем случае окисляющие брекеры работают в 3,7 раза быстрее при увеличении температуры на ~10°C.

Недостатки окислителей

Основные недостатки окислителей заключаются в том, что:

гипохлориты агрессивны по отношению к стали, включая 13-хромированную сталь. Растворенное железо образует коллоидные частицы «ржавчины», которые являются потенциально опасным загрязнителем коллектора твердой фазой;

высоко- и низкощелочные жидкости растворяют силикаты или микропоровые кремнистые сланцы, которые образуют мелкие частицы. Эти подвижные частицы способны закупорить поровые каналы. Низкопроницаемые коллектора обычно являются более чувствительными к такому загрязнению;

окислители могут реагировать с глинами или образовывать эмульсии. Большинство окислителей характеризуются высоким уровнем рН и могут диспергировать глинистые частицы;

окислители не должны применяться в комбинациях с кислотами, поскольку в этом случае могут образовываться ядовитые газы;

агрессивные окислители способны привести к быстрому прорыву фильтрационной корки и обходу фильтрационной корки (фото 4);

при разрушении полимерной составляющей фильтрационной корки окислителями возможно проникновение компонентов промывочной жидкости в коллектор.

Применение энзимов

Обычно энзимы определяются как природные катализаторы, т.к. большинство биологических процессов включают энзимы. Энзимы являются большими молекулами белков, состоящих из цепочек аминокислот. Простые энзимы состоят менее чем из 150 аминокислот, при этом сложные (типичные) энзимы имеют 400-500 аминокислот.

Энзимы, применяющиеся в нефтегазовой промышленности, являются специфичными для определенных групп полимеров. Энзимы, разрушающие амилазу (крахмал), не воздействуют на ксантановые биополимеры и наоборот, что позволяет селективно разрушать фильтрационную корку в зависимости от ее состава. Как и гипохлориты, энзимы не растворяют карбонат кальция, поэтому если удаление кольматанта является одной из основных задач, обработку ПЗП энзимами необходимо комбинировать с обработкой хелатными соединениями.

Энзимы являются коррозионно-безопасными реагентами — они не реагируют с железом и не образовывают нерастворимых осадков «ржавчины», которые являются потенциально опасными соединениями, закупоривающими поры породы-коллектора. Т.к. энзимы являются катализаторами, то они практически не расходуются в реакции, вследствие чего могут разрушать полимеры до тех пор, пока не изменится среда реакции.

Обычно закачка пачки на основе энзимов в зону продуктивного пласта не вызывает сложностей, поскольку энзимы действуют достаточно медленно, в результате достигается более полное удаление фильтрационной корки (рис. 1).

Недостатки энзимов

Недостатки энзимов обусловлены тем, что:

энзимы весьма чувствительны к среде реакции. Температура, рН, содержание ионов кальция (жесткость) и др. способны как улучшить, так и ухудшить эффективность обработки ПЗС энзимами;

используемые в отрасли реагенты имеют достаточно узкий температурный диапазон применимости — от 4 до 95°C.

Очистка ПЗС с помощью хелатов

Хелатные соединения (хелаты, внутрикомплексные соединения, клешневидные соединения), представляющие собой комплексные соединения, в которых лиганд присоединен к центральному атому металла посредством двух или большего числа связей, позволяют достаточно эффективно разрушать карбонат кальция, связывая его в органическое соединение. Наиболее часто в промывочных жидкостях используются хелатные соединения, производные от этилендиаминтетрауксусной кислоты.

Хелаты работают гораздо медленнее и «мягче» кислот, не склонны к активным химическим реакциям с пластовыми флюдами или минералами, слагающими коллектор, что позволяет существенно снизить риск загрязнения ПЗП. К дополнительным преимуществам хелатных соединений относится низкая коррозионная активность, малая токсичность, легкость транспортировки и хранения.

Для повышения эффективности очистки ПЗП хелаты могут применяться совместно с другими реагентами, такими как кислоты или энзимы. Низкощелочные растворы хелатов также эффективны при удалении фильтрационной корки, образованной обратимыми эмульсионными РУО [1].

Выводы

Так как стоимость хелатных реагентов остается пока относительно высокой, энзимы в сочетании с хелатными реагентами рекомендуется использовать там, где требуется удаление карбоната кальция (например при заканчивании скважин щелевыми или гравийными фильтрами).

В общем случае при выборе раствора брекера необходимо учитывать:

экологическую безопасность и токсичность реагентов;

коррозионную активность брекеров;

скорость реакции растворов разрушителей;

вероятность загрязнения коллектора продуктами реакции.

На месторождениях Западной Сибири широкое распространение нашли биополимерные промывочные жидкости, использующие фракционированную мраморную крошку для контроля фильтрации жидкости в пласт. Энзимы разрушают связующее вещество фильтрационной корки, образованной такими жидкостями — модифицированный крахмал. Это позволяет разрыхлить и разрушить корку, что помогает снизить давление отрыва от поверхности ПЗП и дезинтегрировать корку с тем, чтобы легко вынести ее потоком пластового флюида при вызове притока.

Основными критериями, на которые необходимо обратить внимание при выборе способа химической очистки забоя, являются:

после удаления фильтрационной корки исчезает барьер, препятствующий неконтролируемой фильтрации жидкости заканчивания в пласт. Репрессия на пласт после разрушения фильтрационной корки перед спуском ЭЦН в процессе заканчивания составит около 4,5-5,0 МПа, что может спровоцировать существенные потери жидкости заканчивания в коллектор;

при использовании «грязной» (содержащей большое количество твердой фазы) жидкости заканчивания твердые частицы, содержащиеся в ней, могут закольматировать поровые каналы ПЗП и привести к снижению производительности скважины.

Поэтому для достижения максимальной эффективности химической обработки и во избежание повреждения коллектора после проведения такой обработки мы рекомендуем более внимательно проработать вопросы заканчивания скважин в целом. На основании проведенных исследований можно утверждать, что существующие способы химической очистки забоя способны эффективно удалять фильтрационную корку современных жидкостей для первичного вскрытия. Выбор того или иного метода обработки ПЗС будет зависеть от используемого забойного оборудования, метода заканчивания, наличия или отсутствия на забое отсекающего клапана и пакера, устойчивости забойного оборудования к коррозии и действующих в регионе ограничений в области промышленной безопасности.

Список литературы

1. Patel A. D. Reversible Invert Emulsion Drilling Fluids — A Quantum Leap in Technology. IADC/SPE 47772 Paper. 1998 IADC/SPE Asia Pacific Drilling Technology.

2. Ибрагимов Л.Х., Мищенко И.Т. Интенсификация добычи нефти. М., 1996.

3. Morgenthaler L. N., McNeil R.I., Faircloth R.J., et al. Optimization of stimulation chemistry for openhole horizontal wells. SPE 49098. SPE Annual Technical Conference and Exhibition, New Orleans, Louisiana, 27-30 September 1998.