Совершенствование жидкостей для гидравлического разрыва пласта на основе вязкоупругих поверхностно-активных веществ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы,
сформулированы цель и основные задачи исследований, представлены
научная новизна и практическая значимость полученных результатов.
В первой главе обобщены и проанализированы данные литературных
и патентных источников, в которых рассмотрены технологии применения
ВУПАВ в методах интенсификации нефтедобычи. Также в главе содержится
обзор литературы по основным свойствам водных растворов ВУПАВ.
При изучении и обобщении информации было выявлено, что
эффективными ВУПАВ являются соединения из класса алкилбетаинов.
Установлено, что на текущий момент использование ВУПАВ в качестве
технологических жидкостей для процессов интенсификации добычи
углеводородов является актуальным и востребованным направлением.
В результате проведенного анализа литературы выявлены основные
недостатки существующих разработок и технологий по применению
ВУПАВ, связанные с высоким расходом реагента и применением
дорогостоящих модифицирующих добавок. В связи с этим поиск
оптимального решения по улучшению свойств вязкоупругих композиций и
созданию на их основе эффективной технологической жидкости для методов
интенсификации добычи углеводородов является важной задачей.
Обнаружено, что соединения многовалентных металлов могут
выступать в качестве структурообразователей водных растворов ВУПАВ
(алкилбетаинов). Однако процесс взаимодействия и самоорганизации водных
растворов алкилбетаинов и соединений многовалентных металлов
практически не изучен, а исследование таких систем вызывает высокий
интерес, как с научной, так и с практической точки зрения.
Во второй главе представлено описание и обоснование выбора
объектов исследования.
В качестве объектов исследования были использованы:
– цвиттер-ионные ПАВ из класса бетаинов: БЕТАПАВ А1214.30 (алкил
(С12-С14)бетаин), БЕТАПАВ АП.45 (кокамидопропилбетаин), НЕФТЕНОЛ
ВУПАВ (олеиламидопропилбетаин);
– минеральные соли: хлориды натрия, калия, кальция и аммония;
хлорид алюминия (III); хлорид железа (III);
– полиакриламид (ПАА) марки «TR-CHIMECO-1516»;
– гуаровая камедь (гуар) марки «Гелеобразователь ГПГ-1».
В главе приведено описание методик приготовления и испытаний
исследуемых композиций на основе ВУПАВ.
Результатом первого этапа исследований стал выбор НЕФТЕНОЛа
ВУПАВ (олеиламидопропилбетаина) в качестве объекта дальнейших
исследований ввиду наилучших реологических показателей его водных
растворов из всего перечня, рассматриваемых в рамках данной работы ПАВ.
Втретьейглавепредставленырезультаты исследований
реологических и структурных свойств водных растворов ОАПБ и влияния на
данные показатели солей металлов разной валентности.
На первом этапе работы были определены зависимости эффективной
вязкости водных растворов ОАПБ в присутствии солей одно- и
двухвалентных катионов (рисунок 1). Было обнаружено, что влияние
минерализации среды на реологические свойства растворов ОАПБ,
прослеживается только при высоких концентрациях как ПАВ (3-5% масс.),
так и солей одно- и двухвалентных катионов (например, 20% NaCl).
400400
Дистиллированная водаРаствор NaCl 10%

Эффективная вязкость при
Эффективная вязкость при

350Раствор NaCl 5%350
Раствор KCl 10%
300Раствор NaCl 10%300

100 с-1, мПа·с
100 с-1, мПа·с

Раствор СаCl2 10%
250Раствор NaCl 15%250
Раствор NaCl 20%Раствор NH4Cl 10%
200200
150150
100100
5050
1,02,02,53,01,02,02,53,0
Концентрация ОАПБ, % массКонцентрация ОАПБ, % масс.

Рисунок 1 – Зависимость эффективной вязкости водных растворов ОАПБ в
присутствии солей одно- и двухвалентных катионов

Выявленный рост вязкости растворов ОАПБ при высоких
концентрациях солей, вероятно, связан с повышением концентрации ионов в
двойном электрическом слое мицелл ОАПБ, что приводит к более сильному
электростатическому взаимодействию между последними.
Из литературных источников стало известно, что использование смеси
ВУПАВ с полимерными реагентами в различных их соотношениях может
сопровождаться загущением данных систем. В связи с этим далее было
исследовано влияние полимерных соединений на реологические
характеристики водных растворов ОАПБ (рисунок 2).
ОАПБ 1%+NaCl 10%+ГуарВкачествеполимерных
90ОАПБ 1%+NaCl 10%+ПАА
компонентов использовались широко
Эффективная вязкость при

80ОАПБ 2%+NaCl 10%+Гуар
70ОАПБ 2%+NaCl10%+ПААраспространенныеидоступные
100 с-1, мПа·с

60полиакриламид (ПАА) и гуаровая
40камедь (гуар). Согласно полученным
30результатам (рисунок 2) присутствие
полимера в водном растворе ОАПБ
0приводит к незначительному росту
0 0,001 0,010,05
Полимер, % масс.
0,1
вязкости системы, а в некоторых
Рисунок 2 – Влияние полимерныхслучаях даже к ее падению. Данный
соединений на эффективнуюфактуказываетнато,что
вязкость водных растворов ОАПБосновополагающимфактором
в формировании высоковязкой системы является не внедрение полимерных
молекул в ассоциаты мицелл, а способность молекул ОАПБ образовывать в
водной среде длинные цилиндрические мицеллы.
Было проведено исследование влияния солей трехвалентных металлов
на реологические свойства водных растворов ОАПБ (рисунок 3).
400400400
Эффективная вязкость при

350350ОАПБ 1% масс. +ОАПБ
ОАПБ 1% масс.350
NaCl 10% масс.2%
300300300масс.
100 с-1, мПа·с

250250250
200200200
150150150
100100100
505050
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.60.000.01 0.02 0.030.040.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
AlCl3, % масс.AlCl3, % масс.AlCl3, % масс.

400400400
ОАПБ 1% масс. +ОАПБ
Эффективная вязкость при

350ОАПБ 1% масс.350350
NaCl 10% масс.2%
300300300масс.
100 с-1, мПа·с

250250250
200200200
150150150
100100100
505050
0.000.030.060.090.120.000.010.020.030.040.00 0.03 0.06 0.09 0.12 0.15
FeCl3, % масс.FeCl3, % масс.FeCl3, % масс.

Рисунок 3 – Влияние солей трехвалентных металлов на реологические
показатели водных растворов ОАПБ

Данные исследования показали (рисунок 3), что введение в водные
растворы ОАПБ долей процента солей трехвалентных металлов приводит к
образованию систем, характеризующихся значительно более высокими
значениями эффективной вязкости, нежели чем при введении солей одно- и
двухвалентных металлов или полимеров в аналогичных и значительно
больших концентрациях.
Полученные результаты могут свидетельствовать о возможном
формировании сложных структур из переплетенных цилиндрических мицелл
ОАПБ, характеризующихся вязкоупругими свойствами, где в качестве
дополнительного структурообразователя выступает катион многовалентного
металла (в нашем случае Al+3 или Fe+3).
Из полученных данных можно увидеть (рисунок 3), что интервал
концентраций хлорида железа, при которых водные растворы ОАПБ
характеризуются устойчивой структурой и наивысшими значениями
эффективной вязкости, лежит в значительно более узком диапазоне значений
в сравнении с хлоридом алюминия. Данный факт может быть связан с
возможностью ионов железа в водном растворе довольно легко переходить
из степени окисления Fe+3 в Fe+2 при изменении окислительно-
восстановительных потенциалов, что может пагубно повлиять на
предполагаемую комплексообразующую способность иона. В связи с этим в
качестве структурообразующего агента в водных растворах ОАПБ
целесообразно рассматривать хлорид алюминия.
Композиции, представляющие собой систему ОАПБ:хлорид алюминия
(III)/хлорид железа (III), были изучены с помощью осцилляционной реологии
с целью подтверждения образующихся структур и оценки их вязкоупругих
свойств.
Как стало известно из литературных источников системы, обладающие
вязкоупругими свойствами, т.е. характеризующиеся вязкостными и упругими
свойствами в широком диапазоне частот внешнего воздействия,
описываются моделью вязкоупругих тел Максвелла. Согласно данной
модели, в режиме колебательных сдвиговых деформаций в низкочастотной
области превалирующими значениями обладает вязкостной параметр
системы (модуль потерь, G’), а в области высоких частот напротив упругий
(модуль накопления, G’’). Важным параметром, на основании которого
можно судить о структурных свойствах вязкоупругих систем, является время
релаксации, определяемое величиной обратной значению частоты, при
которой кривые вязкостного и упругого модуля пересекаются.
Кроме того, максвеловская модель поведения вязкоупругих тел
позволяет определить размер ячейки мицеллярной сети (корреляционная
длина, ), который также является критерием структурированности системы.
На рисунке 4 представлены частотные зависимости G’ и G’’ водных
растворов ОАПБ в присутсвии соединений одно- и трехвалентных металлов,
а именно хлорида натрия, хлорида алюминия и хлорида железа.
Из полученных данных видно, что в низкочастотной области
динамические модули возрастают с ростом частоты. При этом в
низкочастотной области G’’ по величине превосходит G’. С увеличением
частоты осцилляции кривые модулей пересекаются, после этого в
высокочастотной области модуль потерь G’’ уменьшается, а модуль
накопления G’ наоборот растет.
2.0G’ ОАПБ 1%
2.0G’ ОАПБ 1%
G” ОАПБ 1%G” ОАПБ 1%
G’ ОАПБ 1%+Al(+3) 0,022 моль/лG’ ОАПБ 1%+Na(+1) 1,709 моль/л
G” ОАПБ 1%+Al(+3) 0,022 моль/лG” ОАПБ 1%+Na(+1) 1,709 моль/л
1.5G’ ОАПБ 1%+Na(+1) 0,022 моль/л
1.5G’ ОАПБ 1%+Na(+1) 1,709 моль/л+Al(+3) 0,0022 моль/л
G” ОАПБ 1%+Na(+1) 0,022 моль/лG” ОАПБ 1%+Na(+1) 1,709 моль/л+Al(+3) 0,0022 моль/л

G’, G”, Па
G’, G”, Па

1.01.0

0.50.5

0.00.0
0.00.51.01.52.02.53.00.00.51.01.52.02.53.0
Частота, ГцЧастота, Гц
2.0G’ ОАПБ 1%
2.0
G’ ОАПБ 1%
G” ОАПБ 1%G” ОАПБ 1%
G’ ОАПБ 1%+Fe(+3) 0,0043 моль/лG’ ОАПБ 1%+Na(+1) 1,709 моль/л
1.5G” ОАПБ 1%+Fe(+3) 0,0043 моль/л1.5G” ОАПБ 1%+Na(+1) 1,709 моль/л
G’ ОАПБ 1%+Na(+1) 0,0043 моль/лG’ ОАПБ 1%+Na(+1) 1,709 моль/л+Fe(+3) 0,0012 моль/л
G’, G”, Па

G’, G”, Па
G” ОАПБ 1%+Na(+1) 0,0043 моль/лG” ОАПБ 1%+Na(+1) 1,709 моль/л+Fe(+3) 0,0012 моль/л

1.01.0

0.50.5

0.00.0
0.00.51.01.52.02.53.00.00.51.01.52.02.53.0
Частота, ГцЧастота, Гц

Рисунок 4 – Частотные зависимости G’ и G’’ водных растворов ОАПБ в
присутсвии солей металлов разной валентности (хлорида натрия, хлорида
алюминия и хлорида железа)
Такое поведение характерно для растворов, реологические свойства
которых описываются простой моделью вязкоупругой жидкости Максвелла с
одним временем релаксации. Максвелловское поведение растворов
свидетельствует о переплетении цилиндрических мицелл и образовании ими
сетки зацеплений, которая способна разрушаться и восстанавливаться под
влиянием внешних условий.
Стоит обратить внимание на то, что присутствие в растворе ОАПБ
ионов трехвалентного металла Me+3 приводит к значительному росту
значений модулей G’ и G’’, сравнимых со значениями в системе, где
содержание Na(+1) превышает в ≈80-100 раз концентрацию Me(+3). Также
обнаружен синергетический эффект роста реологических показателей при
совместном введении в раствор ОАПБ солей металлов разной валентности ∑
(Me+1+Me+3).
Анализируя динамику изменения структурных показателей систем на
основе ОАПБ в присутствии Me(+3) (таблица 1), можно сделать вывод о
значительном росте средней длины и количества мицеллярных цепей, а
также увеличении плотности и числа зацеплений в сетчатой структуре
переплетенных мицелл.

Таблица 1 – Структурные показатели вязкоупругих систем на основе ОАПБ
Соль,
СольMe+nMe, моль/лG0, ПаτR, с, нм
% масс.
—-0,361,03224,55
NaCl0,13Na+10,02200,381,25221,14
AlCl30,30Al+30,02200,5817,24191,85
NaCl0,025Na+10,00430,371,15223,55
FeCl30,07Fe+30,00430,561,75194,41
NaCl10,00Na+11,70901,0338,46158,48
NaCl+AlCl310,0+0,03∑ (Na+1+Al+3)1,7090 + 0,00221,1855,56151,53

NaCl+FeCl310,0+0,02∑ (Na+1+Fe+3)1,7090 + 0,00121,0376,92158,65
* G0 – модуль накопления на плато.
Наоснованиивыше представленных результатов, можно
предположить, что при наличии в растворе ионов трехвалентных металлов
(Al+3 или Fe+3) происходит формирование более сложных пространственных
структур мицелл и увеличение плотности их зацеплений, а ион
трехвалентного металла выступает в качестве центра структурообразования
данных систем.
Следующим этапом изучения влияния трехвалентных металлов на
характеристики вязкоупругих систем стала оценка размеров (диаметров)
образующихся в водной среде мицеллярных агрегатов ОАПБ с
использованием метода динамического рассеяния света. Результаты
исследований представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Гидродинамические диаметры мицеллярных агрегатов ОАПБ
ГидродинамическийГидродинамический
Добавление к
ОАПБ, %диаметр мицеллярныхдиаметр мицеллярных
раствору ОАПБ
масс.агрегатов (без AlCl3),агрегатов (при добавлении
AlCl3, % масс.
нмAlCl3), нм
0,125-0,0375700-1000
0,2544-670,0750800-1500
0,5052-720,15001100-1900
0,625700-9700,18751800-2000
0,75500-13000,22502000-2100
1,001000-15000,30002100-2700
*МассовоесоотношениеОАПБ:AlCl3=3,33:1,0;Мольноесоотношение
ОАПБ:AlCl3=1,08:1,0.
Обнаружено (таблица 2), что присутствие хлорида алюминия в водных
растворах ОАПБ приводит к более значительному росту размеров
мицеллярных агрегатов ПАВ, чем при его отсутствии. Полученные
результаты в свою очередь подтверждают предположение о возможном
взаимодействии катиона трехвалентного металла (Al+3) с молекулами ОАПБ.
Далее в работе были проведены исследования по оценке степени
предполагаемого взаимодействия трехвалентного катиона Al+3 с молекулами
ОАПБ. В качестве исследуемых образцов использовались водные растворы
ОАПБ с введением в них в большом избытке хлорида алюминия, что в свою
очередь обеспечило образование двухфазной системы, представляющей
собой образующиеся при взаимодействии хлорида алюминия и ОАПБ белые
хлопья и водный раствор.
С помощью комплексонометрического метода было определено
количественное содержание Al+3 в выделяющейся водной фазе. Было
выявлено, что количество алюминия в водной фазе снижается по мере
увеличения вводимой концентрации ОАПБ, при неизменной исходной
концентрации хлорида алюминия в составах (таблица 3, рисунок 5).
На основании этого можно предположить, что именно Al+3 выступает в
качестве структурообразователя и, вступая во взаимодействие с молекулами
ОАПБ, приводит к образованию белых хлопьев. Причем мольное
соотношение ОАПБ к вступившему во взаимодействие (поглощенному) Al+3
варьируется в достаточно узком диапазоне 3:1 до 6:1.

Таблица3 –Содержание0.0160ОАПБ, моль0.0140

прореагировавшего и находящегося в0.0140Al +3 (в растворе),
моль0.0135
растворе Al+30.0120
Al +3 (в растворе), моль
Al+3
ОАПБ, моль

+30.0130
Al
ОАПБ,(вОАПБ/Al+30.0100
(прореаг.),
мольрастворе),(прореаг.)
моль0.00800.0125
моль
0.0060
-0,0138–0.0120
0,00240,01310,00073,44140.0040
0,00490,01290,00095,42440.0115
0.0020
0,00730,01230,00164,6715
0,00970,01200,00185,42630.00000.0110
1234567
0,01210,01180,00215,9194
Рисунок 5 – Зависимость
0,01460,01160,00226,5159концентрации Al+3 в растворе от
исходной концентрации ОАПБ
Сучетомполученных
результатовисследования
реологическихиструктурных
показателей систем на основе ОАПБ
и Al+3, был предложен механизм
формированиявязкоупругой
структуры между молекулами ПАВ,
входящими в состав цилиндрических
Мольное соотношение ОАПБ:Al+3=3:1мицелл, и трехвалентного катиона
Al+3.
Предполагается, что сложная
вязкоупругаясистемаможет
образовываться за счет формирования
комплексныхсвязеймежду
Мольное соотношение ОАПБ:Al+3=6:1трехвалентнымкатиономAl+3,
выступающимвроли
комплексообразователя,и
молекулами ОАПБ. На рисунке 6
представлены возможные варианты
образующихсяструктурпри
различном мольном соотношении
ОАПБ:Al+3. Исследованные в работе
вязкоупругие системы на основе
ОАПБ и трехвалентного катиона-
Мольное соотношение ОАПБ:Al+3=4:1структурообразователя (Al+3) могут
Рисунок 6 – Механизмбытьрассмотреныкак
структурообразования систем набесполимерныежидкостидля
основе ОАПБ и хлорида алюминиягидравлического разрыва пласта.

В четвертой главе представлены исследования по созданию жидкости
для гидравлического разрыва пласта на основе НЕФТЕНОЛа ВУПАВ (ОАПБ
30-35% масс.) и структурообразующего реагента на основе хлорида
алюминия. Также в данной главе диссертационной работы приведены
экспериментальные результаты по оценке технологических параметров
разработанной композиции.
В настоящей работе выявленные вязкоупругие свойства водных
растворов ОАПБ были использованы при разработке жидкости для
гидравлического разрыва пласта. Для придания композиции на основе
НЕФТЕНОЛа ВУПАВ технологических свойств необходимых для жидкости
разрыва (высокие вязкость, упругость, песконесущая и пескоудерживающая
способность и др.) при меньших концентрациях ПАВ в составе, был
разработан реагент-структурообразователь (РС), представляющий собой
водный раствор смеси солей: (AlCl3 и CaCl2). Были предложены две марки
РС с разным соотношением компонентов в составе: РС-1 (10% масс. AlCl3,
20-25% масс. CaCl2), РС-2 (5% масс. AlCl3, 20-25% масс. CaCl2). Хлорид
кальция в РС выполняет роль дополнительного минерализатора среды,
наличие которого позволят создать реагент с низкой температурой
застывания.
Для оценки эффективности разработанного РС и жидкости разрыва в
целом, были проведены исследования по определению реологических
характеристик водных растворов НЕФТЕНОЛа ВУПАВ (30-70 л/м3) с
различными дозировками РС. Эксперименты показали (рисунок 7а), что
введение структурообразователя в систему приводит к резкому увеличению
эффективной вязкости системы. Данные результаты могут быть связаны с
уменьшением сил электростатического отталкивания между одноименно
заряженными полярными группами ПАВ и образованием предполагаемых
сложных пространственных структур между молекулами ПАВ и Al+3,
входящим в состав структурообразователя. Также выявлены диапазоны
концентраций структурообразователя, при которых система характеризуется
наибольшими показателями вязкости (например, 15-20 л/м3 РС для 70 л/м3
НЕФТЕНОЛа ВУПАВ). При превышении указанных дозировок, наблюдается
падение вязкости и разрушение системы.
40030 л/м3 НЕФТЕНОЛ ВУПАВ,40070 л/м3 НЕФТЕНОЛ
РС-1, ДВa)б)
Эффективная вязкость

350350ВУПАВ, РС-1, ДВ
50 л/м3 НЕФТЕНОЛ ВУПАВ,70 л/м3 НЕФТЕНОЛ
Эффективная вязкость
при 100 с-1, мПа∙с

300РС-1, ДВВУПАВ, РС-1, МВ
70 л/м3 НЕФТЕНОЛ ВУПАВ,30070 л/м3 НЕФТЕНОЛ
при 100 с-1, мПа∙с

РС-1, ДВВУПАВ, РС-2, МВ
250250
200200
150150
100100
5050
05101520250510152025
Объем структурообразователя, л/м3Объем структурообразователя, л/м3
Рисунок 7 – Зависимость эффективной вязкости растворов НЕФТЕНОЛа
ВУПАВ от концентрации РС (РС-1, РС-2): а) растворитель дистиллированная
вода (ДВ); б) растворитель минерализованная вода (МВ)

Известно, что в промысловых условиях с целью удешевления и
упрощения процесса ГРП в качестве основы для приготовления жидкости
разрыва используется вода из доступных на месторождениях источников.
Ввиду этого в рамках работы была рассмотрена возможность использования
в качестве основы для приготовления жидкости разрыва модели воды (с
минерализацией 21,1 г/л), используемой в больших объемах в системе для
поддержания пластового давления (ППД) на различных месторождениях
Западной Сибири.
Исследования эффективной вязкости композиций в случае
использования минерализованной воды показали (рисунок 7б), что система
становится более чувствительной к введению РС-1 и при невысокой его
концентрации подвергается деструкции. В связи с этим целесообразно
использовать другую марку реагента (РС-2) с меньшим содержанием хлорида
алюминия. Такой технологический подход позволяет расширить допустимый
диапазон концентраций использования структурообразователя (10-14 л/м3).
На основании полученныхТаблица 4 – Диапазон оптимальных
данных был произведен подборконцентрацийреагентовдля
оптимальногодиапазонаразработанных композиций
концентрацийкомпонентоввКонцентрация,
Компонент
разработаннойкомпозициинал/м3
основе НЕФТЕНОЛа ВУПАВ и РСНЕФТЕНОЛ
50,0-70,0
(таблица 4), таким образом, чтобыВУПАВ
данные системы характеризовались(РС)9,0-20,0
наивысшимизначениями
эффективной вязкости, однородной структурой, сохраняющей свою
устойчивость в течение времени. Однако учитывая чувствительность
разработанной жидкости разрыва к минерализации среды, при подборе
концентраций реагентов необходимо проводить тестовые анализы для
оценки реологических показателей композиций при использовании
конкретного типа водной основы.
На следующем этапе работы исследовано влияние разработанного РС
на показатели вязкоупругой системы на основе НЕФТЕНОЛа ВУПАВ,
которые характеризуют структурные свойства данных систем, а именно:
модуль упругости, время релаксации и корреляционная длина (рисунок 8).
50,025 Гц
100140
б)в)
Время релаксации, с

0,1 Гцa)
41 Гц80
G’, Па
ξ, нм
120
0080
024 6 8 10 12 140246 8 10 12 14024 6 8 10 12 14
РС-1, л/м3РС-1, л/м3РС-1, л/м3

Рисунок 8 – Влияние РС на показатели вязкоупругой системы на основе
НЕФТЕНОЛа ВУПАВ 50 л/м3 (растворитель – дистиллированная вода): а)
модуль упругости G’; б) время релаксации τR; в) корреляционная длина .
Из полученных данных видно, что увеличение дозировки РС приводит
к росту модуля упругости и времени релаксации, и уменьшению значения
корреляционной длины, что также подтверждает ранее выдвинутые
предположения о взаимодействии и образовании сложных комплексных
структур между молекулами НЕФТЕНОЛа ВУПАВ и ионами Al+3.
Экстремумы значений данных параметров (рисунок 8) прослеживаются
в аналогичном диапазоне концентраций РС, используемом для получения
максимального значения эффективной вязкости, что подтверждает
правильность выбора оптимальных дозировок реагента для создания
вязкоупругих систем с наилучшими структурными и реологическими
показателями.
Как было сказано ранее, цилиндрические мицеллы схожи по свойствам
с полимерными цепями, но в отличие от них агрегаты ПАВ обладают
высокой восприимчивостью к воздействию внешних факторов (например,
температуры) и под действием их способны обратимо разрушаться и
восстанавливаться. В связи с этим в работе было изучено влияние
температуры на свойства разработанной жидкости на основе НЕФТЕНОЛа
ВУПАВ и РС. Исследования показали, что при повышении температуры
наблюдается падение вязкостных и упругих свойств (рисунки 9 и 10).
Однако стоит отметить, что в интервале температур от 20 до 50оС значение
эффективной вязкости остается на достаточно высоком уровне и в
исследуемых системах сохраняются структуры, которые описываются
максвелловской моделью вязкоупругих тел, что делает возможным
использование разработанных композиций в данных условиях.
6.0350
G’ (25oC)G” (25oC)25oC40оС50оС
Эффективная вязкость при

G’ (40oC)G” (40oC)60оС70оС
5.0300
G’ (50oC)G” (50oC)
G’ (60oC)G” (60oC)
100 с-1, мПа·с

4.0
G’, G’’. Па
3.0
2.0
1.0
0.00
0.00.51.01.52.02.53.0010203040
Частота, Гц
Время, мин
Рисунок 9 – Влияние температурыРисунок 10 – Влияние температуры на
на G’ и G’’ жидкости разрыва:эффективную вязкость жидкости
НЕФТЕНОЛ ВУПАВ 50 л/м3 + РС-1разрыва: НЕФТЕНОЛ ВУПАВ 70 л/м3
11 л/м3+ РС-1 17 л/м3
Одним из критериев успешного проведения операций ГРП является
равномерное распределение расклинивающего материала по образующимся
трещинам в пласте. В связи с этим дальнейшие исследования были
направлены на анализ технологических параметров разработанной жидкости
разрыва, а именно определение пескоудерживающей способности жидкости
разрыва на основе НЕФТЕНОЛа ВУПАВ и РС (Таблица 5). Были
рассмотрены и сравнены жидкости разрыва на основе гуара и на основе
системы НЕФТЕНОЛа ВУПАВ и РС. По результатам видно, что способность
жидкости на основе ВУПАВ удерживать в своем объеме проппант,
сопоставима со структурированным сшитым гелем на основе гуара. Также
обнаружено, что при сравнительно близких значениях эффективной вязкости
у систем на основе ВУПАВ скорость осаждения частиц проппанта в объеме
кратно ниже, чем у линейного гуарового геля (гуар 3,5 кг/м3), что можно
объяснить высокими показателями модуля упругости у первых (таблица 5).

Таблица 5 – Сравнительный анализ пескоудерживающей способности и
структурно-механических свойств полимерных жидкостей разрыва и
разработанной композиции на основе ПАВ
НЕФТЕНОЛ
РС-1,Гуар,БС-1,η при 100ʋ,G’,G’’,
№ ВУПАВ,τR, с
л/м3кг/м3л/м3с-1, мПа∙с*см/мин*Па*Па*
л/м3
1–3,5-54,5318,651,021,23-
2–3,52,01030,820,563,341,4610,53
330,015,0–64,940,171,500,2822,42
450,011,0–135,670,124,050,6446,30
570,017,0–301,830,027,221,9133,22
*БС – боратный сшиватель; η – эффективная вязкость; ʋ – скорость
осаждения частиц расклинивающего материала в объеме жидкости; G’ и G’’
измерены при частоте 3 Гц;

На заключительных этапах лабораторных исследований было
проведено исследование стабильности реологических показателей
разработанной системы в течение времени. Из результатов видно (рисунок
11), что вязкость жидкости в течение 80 минут держится на постоянном
уровне. Разрушения композиций по окончании эксперимента не происходит.
Также экспериментально подтверждено разрушение вязкоупругой
системы разработанной жидкости разрыва при взаимодействии с
углеводородной средой. Из рисунка 12 видно, что значение эффективной
вязкости жидкости разрыва после контакта с нефтью снижается на ≈90% от
изначального значения.
400300
Эффективная вязкость при 100 с-1,270.0

Эффективная вязкость при 100 с-1,
НЕФТЕНОЛ ВУПАВ 70 л/м3, РС-1 17 л/м3
НЕФТЕНОЛ ВУПАВ 50 л/м3, РС-1 11 л/м3
250
мПа∙с

мПа·с
200150

15096.4
10072.8
5035.2
0102030 40 50607080100:075:2550:5025:75
Время, минСоотношение ЖР:нефть

Рисунок 11 – СтабильностьРисунок 12 – Изменение эффективной
эффективной вязкостивязкости жидкости разрыва (ЖР)
разработанной жидкости разрыва на состава НЕФТЕНОЛ ВУПАВ 70,0 л/м3
основе НЕФТЕНОЛа ВУПАВ и РС + РС-1 17,0 л/м3 до и после контакта с
нефтью в различных соотношениях

В ходе проведенных исследований было выявлено, что разработанные
композициинаосновеНЕФТЕНОЛаВУПАВиреагента-
структурообразователяобладаютнеобходимымитехнологическими
свойствами для использования их в качестве жидкостей разрыва, что
свидетельствует о возможности применения их при проведении операций
проппантного ГРП.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1.Цвиттер-ионные ПАВ с углеводородным радикалом С12, С14
незначительно загущают солевые растворы даже при увеличении их
концентрации до 5% масс. При увеличении радикала до C17, вязкость водных
растворов ПАВ значительно увеличивается;
2.Обнаружено, что введение в водные растворы ОАПБ солей одно-
и двухвалентных металлов, полимеров не способствует формированию
высоковязких систем;
3.Введение в раствор ОАПБ малого количества соединения
многовалентного металла Ме+3 приводит к резкому возрастанию как упругих,
так и вязкостных показателей системы;
4.При наличии в растворе катиона трехвалентного металла (Al+3)
происходит формирование более сложных пространственных структур
мицелл и увеличение плотности их зацеплений, что доказывается
выявленным ростом структурных свойств исследуемых систем;
5.Предложен возможный механизм формирования вязкоупругой
системы на основе ОАПБ за счет образования комплексных связей между
Al+3 и молекулами ПАВ;
6.Разработан реагент-структурообразователь на основе AlCl3,
позволяющий создавать жидкости для ГРП с необходимыми
технологическими параметрами при меньших концентрациях ОАПБ;
7.Подобраны оптимальные концентрации ВУПАВ и реагента-
структурообразователя для приготовления жидкости ГРП на основе пресной
и минерализованной воды. Варьирование соотношенийкомпонентов
позволяет регулировать вязкостные и структурно-механические свойства
разработанных жидкостей в широком диапазоне;
8.Разработанные жидкости на основе ОАПБ и реагента-
структурообразователяобладаютнеобходимымитехнологическими
свойствами, что свидетельствует о возможности применения их при
проведении операций проппантного ГРП.

Рекомендации, перспективы дальнейшей разработки темы
Полученные результаты работы рекомендуется использовать для
разработки технологий проведения операций проппантного гидравлического
разрыва пласта. Дальнейший научный интерес заключается в углубленном
изучении механизма взаимодействия цвиттер-ионных поверхностно-
активных веществ с солями многовалентных металлов. Практический
интерес заключается в рассмотрении разработанных композиций в качестве
технологических жидкостей для других методов интенсификации добычи
углеводородов, таких как кислотный гидравлический разрыв пласта и
направленные кислотные обработки.

Автор выражает глубокую благодарность своему научному
руководителю д.т.н. проф. Магадовой Л.А. и заведующему кафедрой д.х.н.
проф. Силину М.А., всему профессорско-преподавательскому составу
кафедры технологии химических веществ для нефтяной и газовой
промышленностии коллективунаучно-образовательногоцентра
«Промысловая химия» за помощь, оказанную при работе над диссертацией.
Отдельную благодарность автор выражает заведующему сектором
Малкину Д.Н., к.т.н. Потешкиной К.А., к.т.н. Мухину М.М. и аспиранту
Бородину С.А. за ценные советы в ходе выполнения диссертационной
работы и помощь в проведении экспериментов.