Введение к работе
Актуальность темы. Ионогенные поверхностно-активные вещества (ПАВ) в присутствии низкомолекулярной соли способны образовывать в растворах длинные и гибкие цилиндрические мицеллы, поведение которых во многом напоминает поведение полимерных цепей. Подобно макромолекулам, цилиндрические мицеллы (мицеллярные цепи) способны переплетаться между собой с образованием трехмерной пространственной сетки зацеплений, вследствие чего раствор ПАВ приобретает вязкоупругие свойства. Однако, по сравнению с обычными полимерами, молекулы в мицеллярных цепях связаны относительно слабыми физическими взаимодействиями, поэтому вязкоупругие растворы ПАВ обладают исключительно высокой восприимчивостью даже к небольшим изменениям свойств среды. В частности, они демонстрируют существенное изменение реологических свойств при варьировании температуры, рН, ионной силы растворов и т.д.
Восприимчивость предоставляет простой и эффективный способ манипулирования свойствами вязкоупругих растворов ПАВ, делая данные коллоидные системы особенно привлекательными для практического применения. Так, например, восприимчивость вязкоупругих ПАВ к изменению рН растворов используется в технологии интенсификации добычи нефти с помощью самоотклоняющихся кислотных составов. В основе действия таких составов лежит способность ПАВ многократно увеличивать вязкость растворов в ходе реагирования кислоты с породой пласта. Образующийся в результате гель создает эффективное локальное отклонение новых порций кислотного состава к ранее необработанным низкопроницаемым участкам. Таким образом достигается полный охват пласта кислотным воздействием. Также в качестве примера стоит отметить применении вязкоупругих растворов ПАВ как жидкость-носитель проппанта в технологии гидравлического разрыва пласта (ГРП). Благодаря восприимчивости цилиндрических мицелл к углеводородам, после завершения процесса гидроразрыва жидкость-носитель разрушается под воздействием нефти и легко выносится из скважины. В результате
достигается максимальная проницаемость трещины разрыва по отношению к нефти.
Однако, наряду с преимуществами восприимчивость к изменению среды придает растворам ПАВ некоторые недостатки. Например, часто вязкоупругие растворы ПАВ обладают недостаточно высокими значениями вязкости и модуля упругости, которые к тому же существенно снижаются при нагревании. Это затрудняет их применение в нефтедобыче, особенно, при повышенных температурах. Кроме того, технологические жидкости на основе вязкоупругих ПАВ, применяемые при добыче нефти, не обладают способностью образовывать фильтрационную корку на поровой поверхности пласта, что приводит к повышенной фильтратоотдаче и ограничивает их применение в высокопроницаемых коллекторах.
В связи с этим, актуальна разработка новых вязкоупругих систем на основе ПАВ, обладающих высокими значениями вязкости и модуля упругости, устойчивых при повышенных температурах и демонстрирующих умеренную фильтратоотдачу.
Для решения поставленной задачи может быть использован способ, широко применяемый для модификации свойств растворов полимеров. Хорошо известно, что многие характеристики полимерных растворов могут быть существенно, а иногда в разы, улучшены малыми добавками наночастиц - фуллеренов, нанотрубок, нановолокон, неорганических наночастиц и пр. Обусловлено это тем, что введение наночастиц приводит к увеличению эффективной концентрации узлов пространственной полимерной сетки, определяющей механические характеристики полимерных материалов. Таким образом, наночастицы, участвуя в формировании надмолекулярной полимерной структуры, положительно влияют на свойства образующегося материала.
В последние годы был опубликован ряд работ, которые показали, что мицеллярные сетки, также, как и полимерные, могут быть модифицированы малыми добавками наночастиц. В настоящей работе будет использоваться именно этот подход. Можно ожидать, что применение наночастиц приведет к существенному улучшению физико-механических характеристик
вязкоупругих растворов ПАВ, таких как вязкость, модуль упругости, температурная стабильность и т.д.
Цель работы. Основная цель работы установление закономерностей изменения структурных и реологических характеристик мицеллярных растворов олеилметилтаурата натрия (ОМТН) от концентрации соли, ПАВ и температуры, а также модификация их вязкоупругих свойств путем добавления наночастиц оксида кремния (Si02). Разработка на основе полученных закономерностей технологического состава для гидравлического разрыва пласта. Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:
-
изучить вязкоупругие свойства мицеллярных растворов ОМТН;
-
определить размер и форму мицеллярных агрегатов в водных растворах исследуемого ПАВ;
-
установить корреляцию между размерами мицеллярных агрегатов и изменениями вязкости растворов;
-
изучить влияние наночастиц Si02 на реологические свойства мицеллярных растворов ОМТН;
-
разработать на основе мицеллярных растворов ОМТН, модифицированных наночастицами Si02 технологического состава для гидравлического разрыва пласта (ГРП).
Научная новизна работы характеризуется следующими основными результатами:
впервые установлена корреляция между данными о влиянии соли, концентрации ПАВ, температуры на вязкость мицеллярных растворов ОМТН и характеристическими размерами образующейся пространственной сетки зацеплений цилиндрических мицелл;
впервые обнаружено, что по мере увеличения концентрации наночастиц в растворе вязкоупругого анионного ПАВ вязкость и время релаксации изменяются экстремально, а модуль упругости после роста до концентрации 0,9 мас.%, далее выходит на постоянное значение;
впервые показано, что при повышении температуры (т.е. в условиях увеличения общего количества мицелл при сокращении их средней длины)
рост вязкости растворов мицеллярных цепей ПАВ при добавлении наночастиц более значительный.
Практическая значимость. По результатам исследования вязкоупругих свойств водных растворов ОМТН модифицированных наночастицами SiCb разработан технологический состав для ГРП.
Выполненные промысловые испытания разработанного
технологического состава в НГДУ «Альметьевнефть» ОАО «Татнефть» позволили дополнительно добыть свыше 8007,6 тонн нефти, экономический эффект превысил 31 миллион рублей. Получен акт о проведении испытаний разработанного технологического состава для ГРП от 21 января 2015 г.
Апробация работы. Основные результаты диссертации были представлены на V Всероссийской научно-практической конференции «Нефтепромысловая химия» (Москва, 2010г.), на Т Российском нефтяном конгрессе (Москва, 2011г.), на 1 Всероссийском симпозиуме по поверхностно-активным веществам «От коллоидных систем к нанохимии» (Казань, 2011г.), на 11 Всероссийской научно-практической конференции «Практические аспекты нефтепромысловой химии» (Уфа, 2012г.), на конференции Международной ассоциации ученых в области коллоидной и поверхностной химии (Сендай, Япония, 2012), на III Всероссийском симпозиуме «ПАВ 2015» (Санкт-Петербург, 2015). Результаты работы также обсуждались на итоговых научных сессиях в Казанском национальном исследовательском технологическом университете в 2010-2014 гг.
Публикации работы. По результатам исследований опубликовано 12 работ, в том числе 4 статьи (все из списка, рекомендованного ВАК) и 8 тезисов докладов.
Личный вклад автора. Экспериментальные данные, приведенные в диссертационной работе, получены автором лично или при его непосредственном участии. Постановка задач исследований и интерпретация результатов выполнены лично автором работы.
Структура и объём работы. Диссертация изложена на 123 страницах, состоит из введения и трёх глав, выводов, списка цитируемой литературы, включающего 186 наименований. Работа иллюстрирована 51 рисунком и содержит 8 таблиц.
Работа выполнена на кафедре химической технологии переработки нефти и газа ФГБОУ ВО «КНИТУ».