Crosslinked polymer gels in marine and alb-cenomanian waters for eor applications at the Uzen field

Full Text

Введение

Пласты-коллекторы месторождения Узень сильно слоистые, с тонкими непроницаемыми глинами и аргиллитами, что является причиной высокого контраста проницаемостей. Наличие многочисленных речных палеорусел и пойменных отложений вызывает высокую неоднородность пластов, за счёт чего происходит избирательное продвижение закачиваемой воды по наиболее проницаемым пропласткам. В связи с этим для месторождения Узень актуальны вопросы повышения эффективности традиционного заводнения.

Задача неравномерности выработки пластов при наличии сложных геолого-физических условий успешно решается с помощью широкомасштабного применения технологий выравнивания профиля приемистости (далее – ВПП), основанных на воздействии на пласт гелеобразующими полимерными составами. Эти составы способны проникать вглубь высокопроницаемых зон на значительные расстояния и эффективно регулировать распределение потоков. Основное назначение закачки полимерных композиций заключается в выравнивании неоднородности продуктивных пластов за счёт снижения подвижности вытесняющего агента в высокопроводящих пропластках и повышения охвата пласта заводнением как по мощности, так и по простиранию.

Работы по изоляции высокопроводящих пропластков на месторождении Узень выполняются с 70-х гг. XX в., однако новейшая история начинается с 2018 г., когда были проведены опытно-промышленные испытания (далее – ОПИ) по подбору химических реагентов для технологий ВПП, которые используются по сей день. В период проведения ОПИ и далее при полевых обработках растворение полимера осуществляется на морской воде, т.к. она содержит меньше механических примесей по сравнению со сточными водами. Однако с 2023 г. в связи с активным переводом поддержания пластового давления на альб-сеноманскую воду на ряде участков месторождения Узень и благодаря её уникальному составу возник интерес к исследованию свойств сшитых полимерных систем, приготовленных на этой воде, с последующим сравнением со стандартными гелями, полученными на морской воде. Такие сравнительные исследования для условий месторождения Узень ранее не проводились, что подчёркивает оригинальность данной работы.

Актуальность данной работы обусловлена тем, что с 2018 г. технологический дизайн ВПП на месторождении Узень оставался неизменным. При этом наблюдается высокая частота повторных обработок, т.к. ежегодно обрабатывается около одной трети фонда нагнетательных скважин. Месторождение Узень относится к категории зрелых, и с каждым годом фиксируется рост обводнённости пластов, что требует разработки более эффективных подходов для стабилизации процесса добычи. В связи с этим возникает необходимость оптимизации существующих технологий и методов закачки реагентов с целью повышения их эффективности в условиях возрастающей обводнённости и зрелости месторождения.

В данной работе сделан акцент на исследовании гелей, приготовленных на различных типах вод месторождения Узень, оценке их прочности и стабильности в условиях пластовых температур и объяснении соответствующих физико-химических процессов. Дополнительно проводится сравнение вязкости полимерных растворов до их сшивания.

Представленные результаты и рекомендации могут быть полезны для дальнейшего совершенствования методов повышения нефтеотдачи пластов на месторождении, что подчёркивает теоретическую и практическую значимость данной работы.

Материалы и методы

При проведении исследования были поставлены следующие задачи:

1) приготовить полимерные растворы на основе альб-сеноманской, морской и дистиллированной воды с последующим замером вязкости;

2) приготовить гелант (раствор полимера до гелеобразования) с последующей выдержкой в термошкафе при пластовой температуре месторождения Узень;

3) сравнить прочность образовавшихся гелей и оценить их деградацию после выдержки в термошкафе согласно установленным временным диапазонам;

4) провести анализ воды на наличие микроорганизмов, выделившихся при синерезисе гелей.

В ходе экспериментов использовались альб-сеноманская и морская вода с месторождения для воссоздания реальных полевых условий. Для сравнения дополнительно использовалась дистиллированная вода. Компонентный состав используемых вод был взят из данных Центра научных лабораторных исследований (табл. 1).

В работе использован полимер марки FP-307 и сшиватель ацетат хрома, используемые на текущий момент на месторождении Узень в технологии ВПП. Физико-химические показатели полимера представлены в табл. 2.

Полимер FP-307 относится к среднеценовому сегменту ПАА-реагентов. Стоимость материала составляет 2,5–5 долл. США/кг (по данным на 2024 г. [1]), что делает его экономически целесообразным для масштабного применения на месторождении.

Таблица 1. Химический состав используемых вод

Table 1. Chemical composition of the waters used

Таблица 2. Физико-химические показатели ПАА марки FP-307

Table 2. Physicochemical properties of FP-307 PAM

ПАА / PAM – полиакриламид / polyacrylamide

Полимер FP-307 представляет собой анионный ПАА, полученный путём полимеризации мономера акриламида (C₃H₅NO). Молекулярная масса FP-307 составляет 6,2 млн дальтонов. В полимерной цепи могут быть внедрены анионные группы, такие как карбоксильные (-COO⁻), что придаёт материалу дополнительные флокулянтные свойства.

Химическая формула мономера акриламида следующая (1):

$nC{H}_2=CH-CON{H}_2$ (1)

Уравнение полимеризации (2):

$nC{H}_2=CH-CON{H}_2\stackrel{инициатор}{\to }\left[-C{H}_2-\begin{array}{c}\\ \underset{|}{CH\begin{array}{c}\end{array}}\\ CON{H}_2\end{array}-\right]n$ (2)

где n – количество мономерных звеньев в цепи. Для FP-307 это – около 87 000 мономеров.

Выбор данного полимера обоснован его широким применением на других месторождениях Мангистауской области в технологии ВПП, что делает результаты работы актуальными для аналогичных условий.

Исследования выполнены с использованием таких приборов, как вискозиметр, высокоточные весы, магнитные мешалки, в соответствии с международными стандартами, в частности, с практическими рекомендациями по оценке полимеров, применяемых в проектах по повышению нефтеотдачи пластов Американского нефтяного института (API – American Petroleum Institute) [2].

Хронология работ

Приготовление растворов. Первый этап исследований состоял в приготовлении растворов полимера на альб-сеноманской, морской и дистиллированной воде.

Раствор приготовлен согласно методике API [2]. Для этого путём пересыпания сухого полимера на край мешалки был подготовлен полимерный раствор. Раствор полимера был приготовлен при концентрации 5000 ppm, соответствующей основному режиму закачки, промышленно применяемому на месторождении Узень (3). Время растворения составляет 2 ч.

$M_{ПАА}=\frac{{10}^{-4}\times M_{воды}\times {С}_{ПАА}}{A_{ПАА}}$ (3)

где 10⁻⁴ г/мл – коэффициент, который переводит единицы из ppm (англ. parts per million – частей на миллион) в граммы на миллилитр воды. 1 ppm = 10⁻⁴ г/мл;

М_ПАА – масса полимера, необходимая для получения раствора заданной концентрации, г;

М_воды – масса воды, который используется для растворения вещества, мл;

С_ПАА – концентрация ПАА в воде, ppm;

А_ПАА – процентное содержание активной части полимера, %.

Результат расчёта по формуле (3) показал, что М_ПАА = 1,388 г ПАА на 250 мл воды. Активная часть полимера составляет 90%.

Замер вязкости. С целью определения вязкости раствора полимера, приготовленного в разных водах, произведён сравнительный замер вязкости. Замеры выполнены на вискозиметре BROOKFIELD AMETEK DV2T MultiDrive.

Шпиндель – это вращающийся элемент вискозиметра, который погружается в жидкость для измерения её вязкости. В процессе вращения шпинделя создаётся сопротивление движению, которое и служит основой для расчёта вязкости. Вискозиметр измеряет силу, необходимую для вращения шпинделя в жидкости, и по этим данным определяет вязкость. Различные шпиндели могут применяться для разных типов жидкостей в зависимости от их плотности и вязкости (рис. 1).

При замерах вязкости растворов полимера на морской и альб-сеноманской воде использовался шпиндель №61, а для измерений на дистиллированной воде применялся шпиндель №62 (табл. 3, рис. 2–4).

Рисунок 1. Типы шпинделей

Figure 1. Types of spindles

а) №61; б) №62; в) №63; г) №UL

Диапазон измерения вязкостей шпинделей: №61 – 100–1000 сП; №62 – 500–5000 сП; №63 – 2000–20000 сП; № UL – 10–100 сП

Viscosity measurement range (cP): No. 61 – 100–1000; No. 62 – 500–5000; No. 63 – 2000–20000; No. UL – 10–100.

Рисунок 2. Результаты замера вязкости полимерного раствора на альб-сеноманской воде

Figure 2. Viscosity test results for polymer solution based on Alb-Cenomanian water

а) замер №1 / measurement No. 1; б) замер №2 / measurement No. 2; в) замер №3 / measurement No. 3

Рисунок 3. Результаты замера вязкости полимерного раствора на морской воде

Figure 3. Viscosity test results for polymer solution based on marine water

а) замер №1 / measurement No. 1; б) замер №2 / measurement No. 2; в) замер №3 / measurement No. 3

Рисунок 4. Результаты замера вязкости полимерного раствора на дистиллированной воде

Figure 4. Viscosity test results for polymer solution based on distilled water

а) замер №1 / measurement No. 1; б) замер №2 / measurement No. 2; в) замер №3 / measurement No. 3

Таблица 3. Результаты замеров вязкости

Table 3. Viscosity measurement results

Вязкость полимерного раствора значительно зависит от минерализации воды, что подтверждается результатами проведённых замеров. В ходе экспериментов было установлено, что при увеличении минерализации воды вязкость полимерного раствора снижается. Это связано с тем, что ионы, присутствующие в солёной и/или минерализованной воде, взаимодействуют с полимерными цепями, вызывая их укорочение и свёртывание. В результате полимер теряет способность образовывать плотную и вязкую структуру. Например, растворы, приготовленные на основе морской и альб-сеноманской воды, показали заметное уменьшение вязкости по сравнению с раствором на дистиллированной воде. Это обусловлено содержанием солей в природной воде, которые влияют на реологические свойства полимеров. Эти данные подтверждают, что для сохранения оптимальных характеристик полимерного раствора необходимо учитывать уровень минерализации используемой воды и корректировать состав полимерной системы соответственно.

Приготовление геланта. В готовый раствор полимера с целью дальнейшей сшивки был добавлен агент – ацетат хрома (далее – АХ) – при концентрации 500 ppm, соответствующей основному режиму закачки, промышленно применяемому на месторождении Узень (4):

$M_{АХ}=\frac{{10}^{-4}\times M_{воды}\times {С}_{АХ}}{A_{АХ}}$ (4)

где М_АХ – масса ацетата хрома (сшиватель), необходимая для дозирования, г;

С_АХ – концентрация ацетата хрома в воде, ppm;

А_АХ – процентное содержание активной части ацетата хрома, %.

Результат расчёта по формуле (4) показал, что М_АХ = 0,25 г АХ на 250 мл воды. Активная часть ацетата хрома составляет 49%.

Время гелеобразования является наиболее важным фактором гелевой системы. Для его определения использовался метод тестирования в бутылке как наиболее удобный и доступный [3]. Время гелеобразования определяется как время, необходимое для достижения гелем максимальной прочности, варьирующейся от A до J (рис. 5) [4].

Рисунок 5. Метод определения прочности геля [3]

Figure 5. Gel strength determination method [3]

A – гель не образовался / no detectable gel; B – очень текучий гель / highly flowing gel; C – текучий гель / flowing gel; D – умеренно текучий гель / moderately flowing gel; E – слаботекучий гель / barely flowing gel; F – сильно деформируемый, нетекучий гель / highly deformable nonflowing gel; G – умеренно деформируемый, нетекучий гель / moderately deformable nonflowing gel; H – слабо деформируемый, нетекучий гель / barely deformable nonflowing gel; I – жёсткий гель / rigid gel; J – звонкий гель / ringing gel

Пробы геланта объёмом 40 мл были разлиты по ёмкостям для сравнения степени гелеобразования в зависимости от времени выдержки в термошкафу при температуре 68°C (пластовая температура месторождения Узень) (рис. 6).

Рисунок 6. Пробы геланта до размещения в термошкаф

Figure 6. Gelant samples before placement in the thermostatic chamber

A – раствор на альб-сеноманской воде; M – раствор на морской воде; D – раствор на дистиллированной воде.

Числа 7, 14 и 21 обозначают количество дней нахождения в термошкафу.

AGS4, MGS4 и DGS4 – растворы полимера на альб-сеноманской, морской и дистиллированной водах соответственно. Оценка гелеобразования – через 4 ч.

A – solution prepared with Alb-Cenomanian water; M – solution prepared with marine water; D – solution prepared with distilled water. The numbers 7, 14, and 21 indicate the number of days in the thermostatic chamber. AGS4, MGS4, and DGS4 – polymer solutions based on Alb-Cenomanian, marine, and distilled waters, respectively. Gelation was assessed after 4 hours.

AGS4 и MGS4 демонстрируют одинаковую степень прочности через 4 ч в термошкафу. В пробе DGS4 гелеобразование не наблюдается. Для дальнейшей оценки гелеобразования пробы были дополнительно выдержаны в термошкафу, увеличив суммарное время выдержки до 12 ч. После дополнительной выдержки наиболее прочный гель образовался в пробе MGS12, тогда как в пробе AGS12 гель оказался более текучим. В пробе DGS12 гелеобразование по-прежнему отсутствует и относится к категории B (рис. 7).

А7 и М7 демонстрируют одинаковую степень прочности через 7 сут. В пробе D7 гелеобразование отсутствует (рис. 8).

А14 и М14 демонстрируют одинаковую степень прочности через 14 сут. В пробе D14 гелеобразование отсутствует (рис. 9).

Спустя 21 сут проба A21 характеризуется стабильной прочностью геля категории C, тогда как в пробе M21 наблюдается снижение прочности до категории B. В пробе D21 изменений нет – гелеобразование отсутствует (рис. 10). Синерезис отсутствует.

Экспериментально установлено, что после 21 сут наблюдений прочность геля на основе альб-сеноманской воды (A21) оказалась более стабильной, чем на основе морской воды (M21). Проба на альб-сеноманской воде сохранила прочность геля категории C, тогда как проба на морской воде снизилась до категории B спустя 21 сут в термошкафу при температуре 68°C.

В ходе эксперимента предполагалось, что в процессе хранения гелей может произойти синерезис – выделение воды из гелевой структуры.

Рисунок 7. Пробы геля после 4 и 12 ч

Figure 7. Gel samples after 4 and 12 hours

AGS12, MGS12 и DGS12 – растворы полимера на альб-сеноманской, морской и дистиллированной водах соответственно. Оценка гелеобразования – через 12 ч.

AGS12, MGS12 and DGS12 – polymer solutions based on Alb-Cenomanian, marine and distilled waters, respectively. Gelation assessment – after 12 h.

Рисунок 8. Пробы геля после 7 сут

Figure 8. Gel samples after 7 days

Рисунок 9. Пробы геля после 14 сут

Figure 9. Gel samples after 14 days

Рисунок 10. Пробы геля после 21 сут

Figure 10. Gel samples after 21 days

В рамках исследования планировалось провести анализ выделившейся воды на микроорганизмы для оценки их влияния на стабильность и деградацию гелей. Изучение содержания микроорганизмов в выделившейся воде позволило бы определить степень активности микробиологической деградации гелевых систем и влияние биологических факторов на их долговременную прочность. Однако возможно, что времени для выделения воды оказалось недостаточно, поскольку общее время выдержки составило всего 21 сут.

Результаты и обсуждение

В работе экспериментально доказано, что гели на основе альб-сеноманской воды за анализируемый период демонстрируют более высокую прочность и стабильность по сравнению с гелями на морской воде. Для полноты научного обоснования этих результатов детально раскрыты механизмы, лежащие в основе наблюдаемых различий:

1. Влияние минерализации и ионного состава воды. Ключевым фактором является разница в химическом составе вод:

а) морская вода имеет высокую минерализацию (12540 мг/дм³) и содержит значительное количество ионов Mg²⁺ и CI^¯, которые способствуют более агрессивному воздействию на полимерные цепи. Высокая ионная сила среды ускоряет деградацию геля за счёт:

• компрессии двойного электрического слоя вокруг полимерных цепей, что снижает их гидродинамический объем и способность к сшиванию;
• образования нестабильных поперечных связей с ионами Mg²⁺, которые со временем разрушаются более интенсивно при пластовой температуре месторождения (68°C) [5, 6];

б) альб-сеноманская вода обладает меньшей минерализацией (9389 мг/дм³) и иным ионным профилем (преобладают Na⁺ и SO₄²⁻). Это обеспечивает:

• более стабильные ионные мостики между полимерными цепями, т.к. ионы Na⁺ менее склонны к вытеснению при нагреве;
• меньшую конкуренцию за активные центры сшивателя (ацетата хрома), что улучшает равномерность поперечных связей.

2. Роль pH и буферных свойств. Реакция между полимером FP-307 и ацетатом хрома Cr³⁺ крайне чувствительна к уровню pH среды, достигая оптимальной эффективности в слабокислом или нейтральном диапазоне (pH 6–8). Хотя альб-сеноманская вода содержит меньше сульфатов (2085,6 мг/дм³) и бикарбонатов (244 мг/дм³) по сравнению с морской водой (2680,3 мг/дм³ SO₄²⁻ и 256,2 мг/дм³ HCO₃⁻), она демонстрирует лучшие буферные свойства (способность водной среды противостоять изменениям кислотно-щелочного баланса при добавлении реагентов или под воздействием температуры) благодаря особенностям своего ионного состава.

Ключевое преимущество альб-сеноманской воды заключается в более сбалансированном соотношении ионов. Несмотря на меньшее абсолютное содержание буферных компонентов, их действие не подавляется высокими концентрациями хлоридов (3757,7 мг/дм³ против 5615,3 мг/дм³ в морской воде). Кроме того, существенно меньшие общая минерализация (9389 мг/дм³ против 12540 мг/дм³) и жёсткость (35 против 110 мг-экв/дм³) создают более благоприятные условия для стабилизации pH.

Бикарбонатный буфер (HCO₃⁻/CO₃²⁻) в сочетании с сульфатами обеспечивает эффективную нейтрализацию кислотных и щелочных компонентов. При этом отсутствие избытка хлоридов позволяет этой системе работать более эффективно, предотвращая резкие колебания pH при нагреве до пластовой температуры 68°C. Это создаёт оптимальные условия для протекания реакции поперечного сшивания полимерных цепей.

Морская вода, несмотря на большее содержание сульфатов и бикарбонатов, обладает пониженной буферной ёмкостью из-за доминирования хлоридов и высокой общей минерализации. Это делает её более уязвимой к изменениям кислотно-щелочного баланса при термическом воздействии. Смещение pH в кислую область приводит к переходу ионов хрома в неактивную форму Cr(OH)₃ а в щелочной среде происходит гидролиз полимера FP-307 – оба процесса ухудшают качество геля.

Таким образом, именно комплексный ионный состав и умеренная минерализация, а не абсолютное содержание отдельных компонентов объясняют, почему альб-сеноманская вода обеспечивает более стабильные условия для гелеобразования. Это подтверждается экспериментальными данными, показывающими лучшую сохранность прочности гелей на основе альб-сеноманской воды после 21 сут выдержки при пластовой температуре.

Заключение

Полученные результаты имеют практическое значение для совершенствования технологий выравнивания профиля приемистости на месторождении Узень. Установленные закономерности подтверждают необходимость пересмотра действующих подходов к подготовке гелевых систем с целью повышения их технологической эффективности. Таким образом, данная работа не только углубляет понимание процессов гелеобразования в различных водных средах, но и формирует прикладные решения для оптимизации методов повышения нефтеотдачи на зрелых месторождениях.

В качестве перспективных направлений дальнейших исследований можно выделить изучение долгосрочной стабильности гелевых систем (свыше 21 сут), что позволит более полно оценить их применимость в условиях продолжительного воздействия на пласт.

Дополнительно

Источник финансирования. Автор заявляет об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

Конфликт интересов. Автор декларирует отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Additional information

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

Competing interests. Author declares that he has no competing interests.

¹ Классификация вод по Сулину основана на преобладающих ионах и позволяет определить генетический тип воды: морской, континентальный или переходный.

About the authors

Zh. M. Alpysbay

Author for correspondence.
Email: m.alpysbay@kmge.kz
ORCID iD: 0009-0001-6942-8799
Kazakhstan, Aktau

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Figure 1. Types of spindles

Download (49KB)

Indexing metadata

3. Figure 2. Viscosity test results for polymer solution based on Alb-Cenomanian water

Download (210KB)

Indexing metadata

4. Figure 3. Viscosity test results for polymer solution based on marine water

Download (212KB)

Indexing metadata

5. Figure 4. Viscosity test results for polymer solution based on distilled water

Download (230KB)

Indexing metadata

6. Figure 5. Gel strength determination method [3]

Download (79KB)

Indexing metadata

7. Figure 6. Gelant samples before placement in the thermostatic chamber

Download (301KB)

Indexing metadata

8. Figure 7. Gel samples after 4 and 12 hours

Download (114KB)

Indexing metadata

9. Figure 8. Gel samples after 7 days

Download (105KB)

Indexing metadata

10. Figure 9. Gel samples after 14 days

Download (105KB)

Indexing metadata

11. Figure 10. Gel samples after 21 days

Download (101KB)

Indexing metadata