Была установлена (Л.Слобод, 1964г.) возможность использования силикагеля в качестве закупоривающего материала для изоляции зон водопритоков при бурении скважин с очисткой забоя воздухом. Гелеобразующая смесь, использованная в экспериментах, состояла из четырех объемов кремнекислого натрия (жидкого стекла), трех объемов дистиллированной воды и четырех объемов пятинормальной серной кислоты. Время начала схватывания составляло 5 ч. 42 мин. Кроме указанного, были испытаны и другие составы смеси, отличающиеся соотношением компонентов. Для таких смесей также определялось время начала схватывания, оно изменялось в пределах 2–14 ч.

Способность геля после схватывания и твердения в поровом пространстве песчаника перекрывать пути поступления пластовых жидкостей измерялась значением давления, необходимого для проникновения жидкости сквозь образец, пропитанный гелем. Во многих случаях удовлетворительную изоляционную пробку создавали путем однократной обработки смесью. В других же случаях небольшая часть порового пространства оказывалась закупоренной неплотно, в результате чего возникало просачивание жидкости при невысоких значениях давления при опрессовке образцов.

В 1978 г. американской фирмой был запатентован состав раствора, который можно использовать для изоляции высокопроницаемых пропластков, состоящих из следующих компонентов:

1. 10–90% по объему водного раствора или дисперсии полимера, выбранного из группы, включающей сополимеры акриловой кислоты и акриламидов, полиакриламиды, частично гидролизованные полиакриламиды, полиэтиленоксиды, карбокси-лалкилцеллюлозу, гидроксиэтилцеллюлозу и гетерополисахариды, получаемые ферментацией крахмалопроизводных сахаров;
2. водного раствора вещества, образующего поперечные связи с полимером (по выбору: смесь соединений многовалентного металла редуцирующего агента, водорастворимый низкомолекулярный альдегид, водорастворимая соль пятивалентного катиона, реагирующего в растворе с образованием коллоидной жидкости);
3. 9–10% по объему водного раствора силиката щелочного металла массовой долей 1–30% (например, силикат натрия);
4. гелеобразующего агента для силиката (кислота и кислотообразующие составы, водорастворимые соли аммония, жидкие альдегиды, алюминаты).

Количество закупоривающей смеси изменялось от 2,6 до 265 м³ на 1 м обрабатываемого интервала. Массовая доля полимера в растворе—0,001—1,0%, щелочного металла в воде —1—30%, гелеобразующего агента для силиката (например, сульфита аммония) —1—30%; концентрация поливалентного катиона —0,005—5% от массы полимера. Растворы могут закачиваться отдельно или в виде смеси, предварительно приготовленной на поверхности. После закачки закупоривающей смеси скважину закрывают на 8–24 ч.

Концентрация кислоты должна подбираться таким образом, чтобы время гелеобразования было больше, чем время между смешиванием растворов жидкого стекла, полимера и кислоты и прохождением этой смесью до забойной зоны скважины. При этом следует иметь в виду, что температура по мере прохождения длины ствола скважины будет возрастать от начальной температуры до температуры призабойной зоны. Вероятность гелеобразования в стволе скважины должна быть полностью исключена. Кроме того, должен оставаться запас времени до окончательного формирования геля, нужный для достижения раствором отдаленных от призабойной зоны участков пласта.

Силикат, приготовленный по обычной технологии, не может выполнять эту задачу из-за присутствия ионов Са²⁺ и Mg²⁺ в пласте, которые способствуют быстрому образованию геля. Но хорошо известно, что макромолекулярные вещества обладают хорошим стабилизирующим эффектом в отношении определенных дисперсных систем. Большие спирали молекул и структура решетки задерживают в такой системе броуновское движение, конвекцию, диффузию и т. п. Кроме того, цепочка полимеров заряжена отрицательно подобно силикатам, а силы отталкивания также увеличивают стабильность. Адсорбция полимера на поверхности силиката задерживает слияние силикатных частиц размером меньше микрометра. Например, частично гидролизованные полиакриламиды с большой молекулярной массой полностью выполняют эту задачу, являясь отличными стабилизаторами и носителями силикатов, находящихся в метастабильном состоянии в пористой среде.

Регулирование процессов гелеобразования можно производить с помощью специальных химических реагентов, называемых активаторами.

Водные активаторы смешиваются с силикатом частично или полностью при температуре 48,9 °С. Использование композиций, гелеобразование в которых зависит от температуры, позволит применять их почти без раннего гелеобразования.

По одной из рекомендованных методик композиции можно готовить заранее и хранить в течение 24 ч и более. Для приготовления композиции используются водорастворимые силикаты, образующие псевдополимеры (гели) при закислении. Концентрированные водные силикаты и их смеси включают в себя чувствительные к температуре активаторы с рН= 10-11. При добавлении кислоты в гелеобразующий раствор его рН уменьшается, что ведет к образованию геля. Водорастворимые силикаты имеют молекулярное соотношение — модуль окиси кремния к окиси щелочного металла — в пределах от 0,5 : 1 до 3,5 : 1.

Гелеобразование происходит при добавлении к силикатам различных сахаров: сахароза, мальтоза, лактоза, фруктоза, глактоза, манноза и ксилоза. Сахариды вводят в водный раствор силиката в виде безводного твердого вещества или в виде водного раствора массовой долей 10–30%. Снижение концентрации сахара в геле зависит от свойств изолируемых пластов.

При диссоциации гелеобразователей образуются кислотные группы, реагирующие с водным раствором силиката и вызывающие гелеобразование или полимеризацию. Эффективность этого метода состоит в способности предотвратить гелеобразование в течение длительного времени. По данному методу можно обрабатывать пласты с темпе-ратурой 48,9—76,7°С. В качестве активатора гелеобразования используется лактоза, замедляющая гелеобразование с повышением ее концентрации в растворе.

Снижение концентрации хлористого кальция в композиции гелеобразующего раствора увеличивает время гелеобразования при постоянных массовых долях лактозы (7,2%) и жидкого стекла (16%).

Силикагель как изолирующий материал для закупоривания водонасыщенных пластов в скважинах должен отвечать определенным требованиям. В первую очередь нужно, чтобы время начала его схватывания было достаточным для того, чтобы его можно было ввести в пласт, не опасаясь преждевременного схватывания смеси в трубках. С другой стороны, после введения смеси в поровое пространство время начала схватывания не должно быть очень большим.

Приведенные данные из публикаций различных авторов позволяют утверждать, что одним из прогрессивных методов увеличения охвата пластов воздействием является применение гелеобразующих растворов на основе силиката натрия (ГОР). Перспективность использования ГОР для проведения изоляционных работ обусловлена технологичностью приготовления раствора и закачки его в пласт, достаточно низкой стоимостью реагентов и их нетоксичностью, высокой прочностью образующего геля и т. д. При взаимодействии силиката натрия с кислыми агентами образуется золь кремниевой кислоты, переходящий со временем в вязкоупругий гель, который может служить водоизолирующим материалом в промытых высокопроницаемых зонах пласта. Изолирующая способность силикатного геля определяется его механическими и реологическими свойствами, зависящими от многих факторов.

Для эффективной обработки нагнетательных и добывающих скважин физико-химические и фильтрационные свойства ГОР должны соответствовать следующим техническим требованиям:

• Однородность и стабильность ГОР при 20–90 °С не менее 6 часов;
• Вязкость гелеобразующего раствора при 25 °С1,0–10,0 мПа*с
• Состав воды для приготовления ГОР — пресная или минерализованная вода
• Время начала гелеобразования при 20–40 °С не менее 12 часов, при 70–90 °С не менее 6 часов;
• Время образования геля во всем объеме и стабильность в течение не менее 6 месяцев;
• Прочность (напряжение разрушения) геля не менее 20 Па;
• Минимальный градиент давления до разрушения геля не менее 0,3МПа/м.

Лабораторные исследования по выбору оптимальных концентраций химреагентов с учетом состава и минерализации пластовых вод показали, что оптимальное массовое содержание силиката натрия составляет 4–6% При более высокой концентрации образование геля идет практически мгновенно. Для промысловых опытов концентрация жидкого стекла выдерживалась 6% по массе.

Были выполнены лабораторные опыты по изучению процессов гелеобразования при различных концентрациях соляной кислоты в композициях. Интервал изменения концентрации соляной кислоты в опытах составил от 0,5 до 2% к общей массе раствора реагентов. Как показали результаты лабораторных исследований, в области низких концентраций, равных 0,4–0,5% но массе, загеливание не происходит или выпадает лишь рыхлый осадок. Это обусловлено тем, что ионов водорода не хватает для связывания силикат-ионов в кремниевую кислоту. В области концентраций, превышающих 2% по массе, загеливание происходит мгновенно. Исходя из необходимого времени для приготовления и закачки гелеобразующих растворов в плас требуемое время гелеобразования должно быть 15–20 ч. С учетом продолжительности гелеобразования и структурно-механических свойств образующихся гелевых масс оптимальной массовой концентрации соляной кислоты составляет 0,8–1,3% по массе, а наиболее приемлемой концентрации —1% по массе.

Для упрочения структуры геля рекомендовано применение гранулированных полиакриламидов (ПАА), химически неактивных к металлам, кислороду воздуха и воде, безопасных с точки зрения пожаро- и взрывобезопасности. Полиакриламиды практически не представляют опасности для работающих при приготовлении и закачке растворов в скважину.

Оптимальный состав (% по массе) гелеобразующей композиции для применения в технологиях увеличения нефтеотдачи: жидкое стекло — 6, соляная кислота — 1, полиакриламид — 0,06, остальное пресная вода.

Приготовление и закачка в пласт гелеобразующих растворов при проведении промысловых экспериментов приобретает важное значение, и поиск оптимальных решений этой задачи является одной из целей эксперимента. Прежде всего необходимо выдержать оптимальные концентрации химреагентов при приготовлении больших объемов растворов, обеспечить непрерывное закачивание заданных объемов оторочек в течение заданного времени. К сожалению, до сего времени нет у нефтяников специальных передвижных технических средств для дозированной закачки агентов в необходимых (небольших) количествах. Использование обычных технических средств, специально не предназначенных для этой цели, в масштабах крупной нефтедобывающей отрасли страны приводит к огромным неоправданным затратам. Давно назрела необходимость разработки и организации массового производства специальной многоцелевой передвижной высоконадежной промысловой химической лаборатории для оперативного контроля за основными параметрами закачиваемых в скважину большого количества химических реагентов для различных целей.

Схема приготовления гелеобразующего раствора непосредственно на скважине и закачки его в водонагнетательную скважину включает в себя три автоцистерны 4,8 и 9 соответственно для соляной кислоты, жидкого стекла и раствора полимера, насосный агрегат 2, водовод пресной воды 5, эжекторы 6 и 7 и промежуточную емкость 3.

Из источника пресной воды с помощью агрегата ЦА-320 вода направляется через два параллельно работающих эжектора в промежуточную емкость объемом 5 м³. Одновременно подают в первое смесительное устройство жидкое стекло или жидкое стекло с полимером, а во второе — соляную кислоту. Полученный раствор направляют в небольшую промежуточную емкость объемом 5 м³ с одновременным смешиванием и закачкой композиции в скважину.

Для приготовления и закачки гелеобразующего раствора, как уже упоминалось, имеющаяся стационарная установка предназначена для организации закачки силикатно-щелочных растворов. Порядок приготовления водного раствора гелеобразующих составов на стационарной установке следующий:

• готовят гелеобразующий раствор путем смешивания всех компонентов по схеме, описанной ранее, и заливают его в автоцистерны;
• приготовленные растворы доставляют на скважину автоцистернами и закачивают в скважину насосными агрегатами.

Последовательность работ по закачке гелеобразующих композиций на основе жидкого стекла и соляной кислоты зависит от существующего оборудования. Указанная последовательность состоит в следующем:

1. Уточняется необходимый объем раствора для закачки в скважину, исходя из закачки 10–20 м³ гелеобразующего состава на 1 м перфорированной толщины продуктивных пластов. Устанавливают строго фиксированное поступление в специальные емкости пресной воды, жидкого стекла и полиакриламида. В течение суток производится тщательное перемешивание данного состава реагентов.
2. В специальной емкости готовится водный раствор соляной кислоты в заданной концентрации в пресной воде.
3. После лабораторного определения правильности концентраций раствора соляной кислоты и жидкого стекла осуществляется смешивание их в специальных емкостях.
4. Ведется интенсивное перемешивание растворов реагентов, составляющих гелеобразующей композиции, в передвижной лаборатории проверяются основные параметры ее и доводятся до расчетных.

Работы по закачиванию гелеобразующего раствора в скважину выполняются в следующей последовательности:

1. Вначале определяют приемистость скважины при закачке воды насосами КНС в течение 3–4 сут, затем закачивается оторочка пресной воды в объеме 15–20 м³ с целью предотвращения образования геля в стволе скважины. Скважина после этого закрывается.
2. Приготовленные на установке гелеобразующие растворы доставляются на скважину и закачиваются при максимально возможных расходах и давлении. В случае повышения давления над обычным давлением нагнетания скорость закачивания уменьшается и нагнетание раствора продолжают до завершения.
3. После закачки всего расчетного объема гелеобразующего состава в скважину закачивается оторочка пресной воды в количестве 15–20 м³, и скважину закрывают на 3–4 сут для гелеобразования.
4. На время закачки и формирования геля в призабойной зоне водонагнетательной скважины останавливаются на 2 сут и реагирующие добывающие скважины.
5. По истечении времени формирования геля нагнетательную и добывающие скважины пускают в работу.