ПОСЛЕДНИЕ УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ В ОБЛАСТИ ВЯЗКОУПРУГИХ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ДОБЫЧИ ИЗ УГЛЕВОДОРОДНЫХ КОЛЛЕКТОРОВ

RECENT ADVANCES IN VISCOELASTIC SURFACTANTS FOR IMPROVED PRODUCTION FROM HYDROCARBON RESERVOIRS

Mohammed Alagelie

master's student, Udmurt State University,

Russia, Izhevsk

АННОТАЦИЯ

Вязкоупругие поверхностно-активные вещества (ВУПАВ) используются в нефтегазовой промышленности, в частности, при гидроразрыве пласта и подкислении матрицы. Вводится описание типов ВУПАВ, а также описание того, как они собираются в мицеллы, какие размеры и формы мицелл могут образовываться при различных условиях, и, наконец, как конкретные структуры могут привести к объемным вязкоупруго-растворимым свойствам.

Ключевой областью, в которой системы на основе ВУПАВ принесли пользу, является матричное закисление карбонатных коллекторов. Вязкость этих жидкостей на основе ВУПАВ в основном контролируется pH; при низком pH (низкой вязкости) кислотная система легко течет и проникает в поровые пространства пласта. В процессе окисления кислота расходуется, а pH и вязкость увеличиваются. Поскольку отработанная кислота имеет более высокую вязкость, свежая кислота направляется в низкопроницаемые, неконтактные зоны и проникает в породы, образуя червоточины.

Для того чтобы жидкости на основе ВУПАВ играли более значительную роль на месторождении, необходимо продолжать решать присущие им ограничения, такие как стоимость, диапазон применимых температур и характеристики герметичности. Если мы сможем эффективно и экономично преодолеть эти проблемы, то жидкости на основе ВУПАВ предложат промышленности отличную чистую и неповреждающую альтернативу традиционным жидкостям на основе полимеров.

ABSTRACT

Viscoelastic surfactants (VES) are used in the oil and gas industry, particularly in hydraulic fracturing and matrix acidification. A description of the types of VESs is introduced, as well as a description of how they assemble into micelles, what sizes and shapes of micelles can form under various conditions, and finally, how specific structures can lead to bulk viscoelastic solubility properties.

A key area in which VES -based systems have benefited is in the matrix acidification of carbonate reservoirs. The viscosity of these VES -based fluids is largely controlled by pH; at low pH (low viscosity), the acid system flows easily and penetrates pore spaces in the formation. During the oxidation process, the acid is consumed and the pH and viscosity increase. Because the spent acid has a higher viscosity, the fresh acid is directed into low-permeability, non-contact areas and penetrates the rocks, forming wormholes.

For VES -based fluids to play a greater role in the field, inherent limitations, such as cost, range of applicable temperatures and sealing characteristics, must continue to be addressed. If we can effectively and economically overcome these challenges, VES fluids will offer the industry an excellent clean, non-damaging alternative to traditional polymer-based fluids.

Ключевые слова: нефть, пар, метод, коррозия и жидкость.

Keywords: oil, steam, method, corrosion and liquid.

Основной областью применения жидкостей на основе ВУПАВ является подкисление пластов, которое широко используется для повышения продуктивности и приемистости скважин, пробуренных в карбонатных коллекторах. При подкислении пласта кислоты закачиваются под давлением, меньшим, чем давление гидроразрыва пласта, чтобы растворить часть породы, удалить повреждения и создать открытые пути для потока пластовых жидкостей. Хлористый водород (HCl) является основной жидкостью, используемой при обработке пластов кислотой, как из-за своей дешевизны, так и потому, что продукты реакции растворимы в воде и не вызывают последующего повреждения пласта. Однако одна из проблем, возникающих при непосредственном использовании HCl, заключается в том, что значительное растворение может происходить в зонах с высокой проницаемостью, при этом в зоны с низкой проницаемостью отводится незначительное количество кислоты. Жидкости на основе ВУПАВ разрабатываются и применяются для отвода кислоты уже более десяти лет. Как было описано ранее, эти жидкости приобретают свою вязкость благодаря образованию мицеллярных структур, поэтому подобные факторы, такие как концентрация поверхностно-активного вещества, важны для рецептур. Другие параметры, такие как концентрация кислоты и pH, имеют уникальное значение для этих жидкостей. [1]

Таблица 1

Список типов молекул поверхностно-активных веществ вместе с конкретными примерами, соответствующими каждому из классов. Описаны исследования фосфобетаина (x 5 10, n 5 1–10) [2-5].

Мы приводим описание типов поверхностно-активных веществ, охватывающих четыре основных класса. Кроме того, дается краткое описание процесса мицеллизации, а также потенциальных размеров и форм, которые эти структуры могут образовывать в водной жидкости. Это важно, поскольку только определенные геометрии приводят к увеличению вязкости рствора.

Мицеллы поверхностно-активных веществ. Поверхностно-активные вещества используются в широком спектре промышленных продуктов, включая чистящие моющие средства, текстиль, косметику, бумажное производство, пищевую и горнодобывающую промышленность, а также жидкости для нефтегазовой промышленности. Универсальность этих веществ позволяет использовать их в качестве эмульгаторов, смачивающих и вспенивающих агентов. ПАВ - это амфифильные органические молекулы, состоящие из компонента, который сам по себе растворим в данной жидкости, и второго компонента, который сам по себе не растворим в той же жидкости (Witten and Pincus 2010). В водной среде гидрофильная головная группа благоприятно взаимодействует с растворителем, тогда как гидрофобный хвост имеет более благоприятную свободную энергию, когда ориентирован в сторону от растворителя. Молекулы ПАВ образуют границу раздела между двумя несмешивающимися жидкостями, и большее количество ПАВ приводит к увеличению площади межфазной поверхности между двумя жидкостями, пока в конечном итоге они не будут считаться смешанными. Конкретная химическая идентичность полярных головных групп и углеводородных хвостовых групп различна, но молекулы ПАВ обычно делятся на классы, включающие анионные, катионные, неионные и цвиттерионные виды. Общие примеры каждого класса ПАВ включают карбоксилатные или сульфатные полярные головные группы (анионные), четвертичные аммониевые головные группы (катионные), длинноцепочечные спирты (неионные) и бетаины (цвиттерионные). В таблице 1 представлены все типы ПАВ и их значение, а также названия и структуры конкретных примеров. [1, 2]

При определенных условиях молекулы ПАВ выстраиваются в коллоидные структуры, называемые мицеллами, где углеводородные хвосты ПАВ ориентированы друг к другу, а полярные головные группы образуют интерфейс с окружающей водной средой. На рис. 1 представлена схема, иллюстрирующая процесс мицеллизации. Размер и структура Размер и структура этих мицелл контролируются различными параметрами и будут описаны в последующих обсуждениях. Мицеллы ПАВ спонтанно образуются в водном растворе, когда концентрация ПАВ, c, превышает порог, называемый критической концентрацией мицелл. Некоторые свойства водных растворов ПАВ, такие как осмотическое давление, мутность, поверхностное натяжение и электропроводность, претерпевают изменения при этой критической концентрации, что подтверждает переход от дискретных молекул к агрегированным [3].

Размер и форма мицелл. Размер и форма мицелл диктуются широким спектром факторов, включая свойства ПАВ, такие как заряд, геометрия и концентрация, а также условия раствора, такие как температура, ионная сила, тип и концентрация соли, скорость сдвига [3-5].

Рисунок 1. Схема молекулы ПАВ с изображением полярной головной группы и углеводородной хвостовой группы, а также ее преобразование в коллоидную структуру, когда концентрация ПАВ превышает КМЦ.

Основные выводы

ПАВ были разработаны для применения в добыче нефти и газа, в частности, для гидроразрыва пласта и подкисления матрицы. Химическая природа базовых ПАВ охватывает широкий спектр типов ПАВ, включая катионные, анионные, неионные и цвиттерионные. Исследования жидкостей для ГРП на основе ПАВ в основном были посвящены реологическим свойствам этих систем и влиянию добавления органических или неорганических солей, наночастиц "псевдокросслинкеров" или компонентов, которые могут снизить или нарушить вязкость. На данном этапе исследовательская активность в этой области продолжает расти. В матричном окислении жидкости на основе VES успешно используются для отвода кислоты, причем за последнее десятилетие было зарегистрировано несколько полевых примеров.

Список литературы:

1. Al-Shargabi, M., Davoodi, S., Wood, D. A., Rukavishnikov, V. S., & Minaev, K. M. (2022). Carbon dioxide applications for enhanced oil recovery assisted by nanoparticles: Recent developments. ACS omega, 7(12), 9984-9994.
2. Davoodi, S., Al-Shargabi, M., Wood, D. A., Rukavishnikov, V. S., & Minaev, K. M. (2022). Experimental and field applications of nanotechnology for enhanced oil recovery purposes: A review. Fuel, 324, 124669.
3. Davoodi, Shadfar, Mohammed Al-Shargabi, David A. Wood, and Valeriy S. Rukavishnikov. "A comprehensive review of beneficial applications of viscoelastic surfactants in wellbore hydraulic fracturing fluids." Fuel 338 (2023): 127228.
4. Аль-Шаргаби МА, Альмусаи АХ, Вазеа АА. Стадии и механизм набухания глин при бурении скважин. InНаучное сообщество студентов XXI столетия. Естественные науки 2018 (pp. 47-52).
5. Полозов М.Б., Аль-Хамати А.Х.М.А., Аль-Шаргаби М.А.Т.С. Анализ причин снижения фильтрационных характеристик призабойной зоны пласта // Материалы 45-й Международной научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. 2018. P. 158-161.