Исследование фильтрационных характеристик наномодифицированных гелей для гидроразрыва пласта

Представлены результаты приготовления и модификации базовых растворов для гидроразрыва пласта нанодобавками. В качестве нанодобавок использовались сферические наночастицы оксида кремния (в виде золей и сухих порошков), нанопорошки оксида алюминия, а также нановолокна оксида алюминия (алюминан). Впервые проведены систематические исследования влияния концентрации, размера, материала и формы нанодобавок на фильтрационные потери сшитых гелей для гидравлического разрыва пласта. В качестве базового геля использовался типичный состав для гидроразрыва – биополимер гуаровой камеди, сшитый раствором тетрабората натрия в глицерине. Размер сферических наночастиц варьировался от 10 до 76 нм, массовая концентрация – от 0,01 до 0,4%. В результате исследования было показано, что добавки рассмотренных наночастиц приводят к радикальному снижению фильтрационных потерь гелей при условиях высоких давлений (более чем в 10 раз в ряде случаев). С увеличением концентрации нанодобавок фильтрационные потери гелей для гидроразрыва пласта снижаются. Установлено, что с увеличением среднего размера наночастиц тенденция снижения фильтрационных потерь усиливается. Снижение фильтрационных потерь будет способствовать уменьшению загрязнения пласта и потерь жидкости при проведении операции гидравлического разрыва.

Минаков А. В., Лысакова Е. И., Неверов А. Л., Пряжников М. И., Жигарев В. А. Исследование фильтрационных характеристик наномодифицированных гелей для гидроразрыва пласта // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2024. – № 11. – С. 50–63. DOI: 10.25018/0236_1493_2024_11_0_50.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-79-30022, https://rscf.ru/project/23-79-30022/.

Минаков Андрей Викторович¹ — д-р физ.-мат. наук, доцент, e-mail: tov-andrey@yandex.ru, ORCID ID: 0000-0003-1956-5506,
Лысакова Евгения Игоревна¹ — канд. физ.-мат. наук, доцент, e-mail: EMikhienkova@mail.ru,
Неверов Александр Леонидович¹ — канд. техн. наук, доцент, e-mail: neveroff_man@mail.ru,
Пряжников Максим Иванович¹ — научный сотрудник, e-mail: arrivent@yandex.ru,
Жигарев Владимир Алексеевич¹ — старший преподаватель, e-mail: zhigarev.vladimir@yandex.ru,
¹ Сибирский федеральный университет.

Жигарев В.А., e-mail: zhigarev.vladimir@yandex.ru.

1. Шагапов В. Ш., Рафикова Г. Р., Мамаева З. З. Динамика полей давления в пласте и в трещине ГРП при собственных колебаниях столба жидкости в скважине // Инженерно-физический журнал. — 2023. — Т. 96. — № 6. — С. 1494—1501.

2. Аносова Е. П., Нагаева З. М., Шагапов В. Ш. Фильтрация флюида к скважине через радиальную трещину ГРП при постоянном расходе // Известия Российской академии наук. Механика жидкости и газа. — 2023. — № 2. — С. 90—101.

3. Zhao H., Zhang Y., Hu J. Investigation on invasion depth of fracturing fluid during horizontal fracturing in low-permeability oil reservoirs with experiments and mathematical models // Energies. 2023, vol. 16, no. 13, article 5148. DOI: 10.3390/en16135148.

4. Meng Y., Li Z., Lai F. Evaluating the filtration property of fracturing fluid and fracture conductivity of coalbed methane wells considering the stress-sensitivity effects // Journal of Natural Gas Science & Engineering. 2020, vol. 80, no. 3, pp. 1—10. DOI: 10.1016/j.jngse.2020.103379.

5. Ma Y., Wan L., Hou W., Xing Q. Geomechanical analysis of lost circulation control in tight formations // Frontiers in Earth Science. 2024, vol. 12, pp. 1—9. DOI: 10.3389/feart.2024.1349634.

6. Ibrahim M. A., Jaafar M. Z., Yusof M. A. M., Shye C. A., Suardi H., Hussin M. F. M., Razali A. Z., Idris A. K. The influence of nanoparticle size, concentration, and functionalization on drilling fluid filtration properties // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2024, vol. 693, article 134020. DOI: 10.1016/j.colsurfa.2024.134020.

7. Lekomtsev A., Keykhosravi A., Moghaddam M. B., Daneshfar R., Rezvanjou O. On the prediction of filtration volume of drilling fluids containing different types of nanoparticles by ELM and PSO-LSSVM based models // Petroleum. 2022, vol. 8, no. 3, pp. 424—35. DOI: 10.1016/j.petlm. 2021.04.002.

8. Cheraghian G. Nanoparticles in drilling fluid. A review of the state-of-the-art // Journal of Materials Research and Technology. 2021, vol. 13, pp. 737—753. DOI: 10.1016/j.jmrt.2021.04.089.

9. Al-Shargabi M., Davoodi S., Wood D. A., Al-Musai A., Rukavishnikov V. S., Minaev K. M. Nanoparticle applications as beneficial oil and gas drilling fluid additives. A review // Journal of Molecular Liquids. 2022, vol. 352, article 118725. DOI: 10.1016/j.molliq.2022.118725.

10. Amanullah M., Ramasamy J. Potential application of nanomaterials in oil and gas field drilling tools and fluids design // Journal of Chemistry and Chemical Engineering. 2018, vol. 12, no. 3, pp. 96—110. DOI: 10.17265/1934-7375/2018.03.003.

11. Fakoya M. F., Shah S. N. Effect of silica nanoparticles on the rheological properties and filtration performance of surfactant-based and polymeric fracturing fluids and their blends // SPE Drilling and Completion. 2018, vol. 33, no. 2, pp. 100—114. DOI: 10.2118/163921-pa.

12. Сафиуллин И. Р., Волков М. Г., Волошин А. И., Мирошниченко В. П., Щутский Г. А., Шарапов Р. Р., Гараева Н. В., Фахреева А. В. Влияние твердых взвешенных частиц в закачиваемой воде на коллекторские свойства низкопроницаемых пластов // Нефтяное хозяйство. — 2023. — № 2. — С. 84—88.

13. Михайлов Н. Н., Туманова Е. С., Зайцев М. В. Степенной закон фильтрации и его следствия для низкопроницаемых коллекторов // Нефтяное хозяйство. — 2020. — № 4. — С. 34—37.

14. Barati R. Application of nanoparticles as fluid loss control additives for hydraulic fracturing of tight and ultra-tight hydrocarbon-bearing formations // Journal of Natural Gas Science and Engineering. 2015, vol. 27, no. 3, pp. 1321—1327. DOI: 10.1016/j.jngse.2015.03.028.

15. Maulianda B., Savitri C. D., Prakasan A., Atdayev E., Yan T. W., Yong Y. K., Elrais K. A., Barati R. Recent comprehensive review for extended finite element method (XFEM) based on hydraulic fracturing models for unconventional hydrocarbon reservoirs // Journal of Petroleum Exploration and Production Technology. 2020, vol. 10, no. 8, pp. 3319—3331. DOI: 10.1007/s13202-020-00919-z.

16. Minakov A. V., Mikhienkova E. I., Voronenkova Y. O., Neverov A. L., Zeer G. M., Zharkov S. M. Systematic experimental investigation of filtration losses of drilling fluids containing silicon oxide nanoparticle // Journal of Natural Gas Science and Engineering. 2019, vol. 71, article 102984. DOI: 10.1016/j.jngse.2019.102984.

17. Dukhin A. S. Acoustic spectroscopy for particle size measurement of concentrated nanodispersions / Characterization of Nanoparticles, Amsterdam, Elsevier, 2020, ch. 3.2.4, pp. 197—211. DOI: 10.1016/b978-0-12-814182-3.00013-4.

18. Минаков А. В., Михиенкова Е. И., Жигарев В. А., Неверов А. Л. Экспериментальное исследование влияния добавки наночастиц на фильтрационные свойства микросуспензии // Письма в журнал технической физики. — 2018. — Т. 44. — № 12. — С. 62—67. DOI: 10.21883/ PJTF.2018.12.46292.17232.

19. Minakov A. V., Lysakova E. I., Skorobogatova A. D., Pryazhnikov M. I., Ivleva Y. O., Voronin A. S., Simunin M. M. Experimental study of the effect of crystalline aluminum oxide nanofibers on the properties of oil-based drilling fluids // Journal of Molecular Liquids. 2023, vol. 388, article 122676. DOI: 10.1016/j.molliq.2023.122676.

20. Abrams A. Mud design to minimize rock impairment due to particle invasion // Journal of Petroleum Technology. 1977, vol. 29, no. 5, pp. 586—592. DOI: 10.2118/5713-PA.

21. Klungtvedt K. R., Saasen A. Invasion of CaCO3 particles and polymers into porous formations in presence of fibres // Journal of Petroleum Science and Engineering. 2022, vol. 215, article 110614. DOI: 10.1016/j.petrol.2022.110614.