Исследование реологических характеристик радиационносшитых водорастворимых полимеров с целью разработки новых составов для ГРП

1.

Российский Государственный Университет (НИУ) нефти и газа
им. И. М. Губкина
Кафедра технологий химичесих веществ для нефтяной и газовой промышленности
«Исследование реологических характеристик радиационносшитых водорастворимых полимеров (гуар, гидроксипропилгуар,
ксантан) с целью разработки новых составов для ГРП, бурения и
глушения скважин»
Прохорова Е. В. ХТМ-15-04
Научный руководитель:
профессор, д.т.н., Магадова Л.А.
Научный консультант: Малкин Д.Н.
Москва 2017

2. Цель и задачи исследования

Цель работы:
• Исследование реологических свойств радиационно-сшитых
полимеров, с последующим их использованием в рецептурах для
строительства и глушения скважин.
Задачи:
• Изучить литературные данные по методам и целям сшивки
радиационным воздействием водорастворимых полимеров.
• Исследовать основные реологические параметры образцов
полимеров после облучения, рассмотреть возможность
использования этих полимеров в рецептурах бурения, глушения
и гидроразрыва.
• Проработать возможность использования энзимного деструктора
в составе жидкости гидроразрыва, с целью максимальной
деструкции в трещине ГРП.
• Подобрать рабочую концентрацию энзима и уровень
водородного показателя жидкости ГРП, в которой деструкция
будет максимальной. Разработать состав жидкости ГРП.
2

3. Молекулярное строение водорастворимых полимеров ксантана и гуара

Гуаровая камедь
ММ – 2млн-5млн Да
Гидроксипропилгуар
ММ - 1,2млн Да
Ксантановая камедь
MM - 3млн-15млн Да
3

4. Влияние степени облучения ксантана на его эффективную вязкость

Эффективная вязкость растворов ксантановой смолы при 20 0С сохраняет
значения до степени облучения 55,4 кГр (килоГрей – единица поглощенной дозы)
Эффективная вязкость растворов ксантановой смолы при 80 0С резко
снижается уже при степени облучения 5,1 кГр, что связано с деструкцией полимера
Вывод: облучение выше 5,1 кГр разрушает ксантантановый полимер до
невозможности применения его в рецептурах для строительства и глушения
скважин.
4

5. Влияние степени облучения гуара на время его гидратации

Время гидратации ГПГ
Эффективная вязкость, мПа*с
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
-5
5
15
25
35
45
55
65
Время, мин
0
6
11,8
41
98
Эффективная вязкость является минимальной уже при 20 0С
При дозе облучения 6 кГц время гидратации уменьшается
Возможно, что снижение дозы облучения снизит
негативное влияние на вязкость
5

6. Выводы

В ходе исследования выявлено, что при воздействии
минимальной дозы облучения равной 5,1 кГр, ксантановая и
гуаровая камеди резко снижают эффективную вязкость, до
невозможности
применения облученных полимеров в
рецептурах для строительства и глушения скважин.
Направление работы было скорректировано:
Исследование поведения энзимного деструктора в составах
жидкостей для гидроразрыва пласта.
6

7. Воздействие энзима на полисахаридные звенья

Фрагмент структуры энзимного
деструктора
Структурный механизм
действия энзима на
полисахаридные звенья
7

8. Эффективная концентрация энзимного деструктора в жидкости ГРП

Влияние количества сухого деструктора на время разрушения
структуры геля (сшиватель БС-1)
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
Время до начала разрушения, мин
1
0
2
0,083
3
0,5
4
1
5
20
6
40
Концентрация деструктора, г/л
1
0,5
0,05
0,005
0,0005
0,00005
Выявлена максимальная концентрация энзима (β- маннаназы) –
0,00005 г/л и для сшивателя «БС-1» и 0,0001 г/л – для «БС-2»
8

9. Реологические исследования геля ГРП в присутствии сшивателя «БС-1» и энзимного деструктора в условиях пластовых температур 25-40 °C

t, °C / η, мПа*с при 100 сек−1
25
30
35
40
Сд=0,0000025 г/л
993,68
380,34
198,23
84,02
Сд=0,000005 г/л
556,99
246,98
84,56
-
η=f(t)
η, мПа*с при 100 сек−1
1225
1025
825
625
Сд=0,0000025
Сд=0,000005
425
225
В температурном
интервале 25-30°C
рекомендуемая
концентрация
энзимного деструктора
0,0000025 г/л
25
24
29
34
39
Температура, °C
44
9

10.

Реологические исследования геля ГРП в присутствии сшивателя
«БС-2» и энзимного деструктора в условиях
пластовых температур 55-95 °C
t, °C / η, мПа*с при 100
55
сек−1
Сд=0,0001 г/л
993,68
65
380,34
75
85
95
198,23
84,02
84,02
η, мПа*с при 100 сек−1
η=f(t)
950
750
550
350
150
50
60
70
80
Температура, °C
90
100
Максимальная пластовая температура для жидкости разрыва в
присутствии энзимного деструктора - 75°C
10

11. Влияние водородного показателя на реологию составов, содержащих энзимный деструктор

η, Па*с, при 600 об/мин
η = f(pH)
34
32
30
28
26
24
22
20
Падение эффективной
вязкости при
снижении рН
4
5
6
7
8
9
10
рН
η, Па*с, в присутствии энзима
η, Па*с, ,без энзима
η, Па*с, при 600 об/мин
η = f(pH)
37
32
27
22
17
12
4
5
6
η, Па*с, ,без энзима
η, Па*с, Сд=0,000025 г/л
7
рН
8
9
10
η, Па*с, Сд=0,000005 г/л
η, Па*с, Сд=0,00001 г/л
Зависимость
эффективной вязкости
от величины рН при
различных
концентрациях
энзимного
деструктора
11

12. Влияние активатора деструкции на рН жидкости ГРП в присутствии энзимного деструктора

Очевидно
снижение
рН
через
сутки
в
присутствии
активатора деструкции в количестве 2 мл/л.
12

13. Выводы

1. В ходе исследования выявлено, что при воздействии дозы облучения равной
5,1 кГр, ксантановая и гуаровая камеди резко снижают эффективную
вязкость до невозможности применения облученных полимеров в
рецептурах для строительства и глушения скважин.
2. В результате работы, подобрана оптимальная концентрация β-маннаназы,
которая может быть применима в скважинах с низкой пластовой
температурой. Концентрации Сд=0,000025 г/л и Сд=0,0001 г/л являются
приемлемыми для сохранения свойств геля и эффективной деструкции, при
содержании в составе БС-1 и БС-2, соответственно.
3. Предложено использование активатора деструкции в количестве 2 л/м3,
снижающего рН при увеличении температуры до 65°C.
4. Предложены два типа рецептур
1) С применением сшивателя марки «БС-1» (для 25°C):
- «Гелеобразователь ГПГ – 1» – 3 кг/ м3,
- Сшиватель боратный «БС-1» – 3 кг/ м3,
- β-маннаназы водно-спиртовой раствор – 2 л/м3 (Сд = 0,000025 г/л).
2) С применением сшивателя марки «БС-2» (для 65°C):
- «Гелеобразователь ГПГ – 1» – 3 кг/ м3,
- Сшиватель боратный «БС-2» – 3,2 кг/ м3,
- β-маннаназы водно-спиртовой раствор – 2 л/м3 (Сд = 0,0001 г/л).
- Активатор деструкции – 2 л/м3.
13

14. Спасибо за внимание!

14