La situation géopolitique et économique internationale actuelle évolue rapidement et la dépendance de la Chine à l'égard du pétrole et du gaz étrangers reste élevée. En 2023, la dépendance au pétrole brut étranger a atteint 71,2 % et la dépendance au gaz naturel étranger a atteint 40,14 %, menaçant gravement la sécurité énergétique nationale et même la sécurité nationale. Environ la moitié de la production pétrolière et gazière chinoise provient d’anciens champs pétrolifères. Avec des réserves prouvées limitées, exploiter le potentiel de ces anciens champs pétrolifères est devenu le moyen le plus pratique et le plus rapide d’augmenter la production.
Actuellement, les taux de récupération des champs pétroliers nationaux matures sont généralement faibles. Par exemple, les taux de récupération des champs pétrolifères de Daqing et de Yumen sont tous deux inférieurs à 50 %, alors que certains gisements pétroliers matures à l'étranger ont des taux de récupération d'environ 70 %. Il existe un potentiel considérable pour exploiter davantage les champs de pétrole nationaux matures, avec des formations à haute température et à haute salinité représentant 10 %. À mesure que le développement progresse, cette proportion augmentera progressivement. Par conséquent, les technologies efficaces et intégrées visant à améliorer les taux de récupération sont devenues l’orientation principale de l’innovation technologique et un domaine d’intervention clé.
Pour résoudre des problèmes tels que la teneur élevée en eau et l’hétérogénéité des réservoirs dans les champs pétrolifères matures, des chercheurs nationaux et internationaux ont développé près d’une centaine de types d’agents de contrôle de profil répartis dans huit catégories. Ceux-ci comprennent principalement des agents de contrôle du profil de sel inorganique de type précipitation-, des agents de contrôle du profil des particules, des agents de contrôle du profil de mousse, des agents de contrôle du profil modifiant la mouillabilité -, des agents de contrôle du profil de la résine, des agents de contrôle du profil microbien, des agents de contrôle du profil du ciment et des agents de contrôle du profil du gel polymère. Les agents de contrôle de profil de gel polymère peuvent contrôler le temps de gélification et la force du gel tout en étant relativement peu coûteux, ce qui en fait la technologie de contrôle de profil et de blocage de l'eau la plus largement utilisée et la plus prometteuse aujourd'hui. Lorsque les agents de contrôle du profil du gel polymère pénètrent dans le réservoir, ils pénètrent préférentiellement dans les zones à haute perméabilité, où la solution se transforme en gel polymère à haute viscosité qui bloque les pores dilatés et les zones à haute perméabilité, réduisant ainsi l'hétérogénéité du réservoir et augmentant le volume balayé.
Avec le développement continu de l'industrie pétrolière, la complexité des formations augmente et les exigences en matière de contrôle des profils et de technologie de blocage de l'eau sont de plus en plus élevées. Les systèmes existants de gels polymères réticulants à base de résine de phénol-formaldéhyde et de chrome-sont de moins en moins en mesure de répondre aux besoins des formations à haute-température et -salinité élevée. À mesure que les températures de formation augmentent, le temps de gélification des systèmes de gel polymère se raccourcit, ce qui entraîne l'incapacité des gels polymères à pénétrer dans les formations profondes et réduit considérablement l'efficacité du contrôle de l'eau. Lorsque les températures de formation sont trop élevées, les liaisons chimiques entre les molécules de polymère et les agents de réticulation sont facilement rompues, ce qui affaiblit la résistance du gel et empêche le blocage des zones de perméabilité élevée. Cet article, à travers l'analyse d'une grande quantité de littérature nationale et internationale, résume systématiquement les recherches en laboratoire et les progrès de l'application des systèmes de gel polymère pour les formations complexes à haute température, à haute salinité.
1 système de gel de polyacrylamide modifié
En raison des environnements de formation de plus en plus complexes, en particulier dans les formations à haute température et à haute salinité (température > 90 degrés, salinité > 50 000 mg/L), les gels polymères conventionnels, tels que les systèmes de gels de polyacrylamide (PAM) et la gomme xanthane, se décomposent souvent rapidement ou brisent les émulsions.
Des chercheurs nationaux et étrangers ont amélioré la résistance à la température et au sel des polymères de polyacrylamide en introduisant des monomères tels que l'acide 2-acrylamido-2-méthylpropane sulfonique (AMPS), l'acide vinylsulfonique, le styrène sulfonate, la vinylpyrrolidone, l'alcool vinylique, le diméthylsiloxane et le méthacrylate de méthyle, et en liant des groupes fonctionnels résistants à la température et au sel aux molécules de polymère polyacrylamide par greffage. copolymérisation.
Dong Shuyang et d'autres ont utilisé de l'alcool polyvinylique (PVA), un agent de réticulation, de l'acrylamide et de l'AMPS comme matières premières pour préparer un -réseau tridimensionnel-polymère de polyacrylamide modifié, en construisant un système de contrôle du profil du polymère en gel en utilisant la saumure de formation du champ pétrolifère de Tahe (bassin de Tarim, nord-ouest de la Chine) comme solvant. Dans une certaine plage, l'augmentation de la teneur en AMPS ajoute des groupes acide sulfonique à la chaîne moléculaire de l'AMPS, générant une répulsion électrostatique. Cependant, comme les groupes acide sulfonique créent également un obstacle stérique, ils entravent la réaction de polymérisation radicalaire entre les monomères, affectant ainsi la résistance du gel de Polyacrylamide modifié. Lorsque la teneur en AMPS atteint 5 %, le gel de polyacrylamide modifié atteint une résistance de gel maximale, qui peut atteindre le grade I à haute température (130 degrés) et à haute salinité (2,1 × 10⁵ mg/L).
Pour améliorer la stabilité du système de gel AM/AMPS, Liao Yuemin et d’autres ont ajouté des stabilisants de fibres PA hydrophiles au système de gel polymère AM/AMPS, améliorant ainsi la densité de la structure du réseau de gel. Ceci, à son tour, a augmenté la capacité de rétention d'eau du gel polymère et a prolongé son temps de stabilité dans des conditions de température élevée. Dans des conditions de 140 degrés et une salinité de 22 × 10⁴ mg/L, le temps de gélification de ce système de gel de polyacrylamide modifié dépassait 15 heures, le taux de déshydratation sur 120-jours était inférieur à 2 %, la résistance du gel est restée au grade G, le taux de blocage de l'eau-a atteint plus de 99,70 % et le taux de blocage de l'huile était inférieur à 6,00 %, démontrant excellent potentiel pour les applications sur le terrain.
Afin de retarder le temps de gélification du système de gel AM/AMPS, Pu Wanfen et d'autres ont introduit la N-vinylpyrrolidone (NVP) et le monomère hydrophobe DHT (contenant un cycle benzénique et des groupes hydrophobes à longue chaîne-). Le cycle pyrrolidone, le cycle benzène et les groupes hydrophobes à longue chaîne - peuvent augmenter considérablement l'encombrement stérique des chaînes moléculaires du polymère, retardant ainsi la gélification. Dans des conditions de 120 degrés et une salinité de 36,5×10⁴ mg/L, l'expansion peut être retardée de 3 jours.
2 Système de gel polymère de silice
Afin d'améliorer encore la résistance à la température et au sel des systèmes de gel polymère, certains chercheurs ont suggéré d'introduire des nano-particules inorganiques, telles que la nano-silice, dans les systèmes de gel polymère. Liu et coll. préparé un système de gel polymère amélioré en utilisant du polyacrylamide partiellement hydrolysé (HPAM), de l'hydroquinone (HQ), de l'hexaméthylènetétramine (HMTA) et de la nano-silice comme matières premières. Leur étude a révélé que l'ajout de nano-silice peut réduire considérablement le temps de gélification et améliorer la résistance, l'élasticité et la viscosité du gel. En ajoutant de la nano-silice au système, la tolérance de température maximale du système de gel est passée de 137,8 degrés à 155,5 degrés. Les groupes silanol sur les molécules de nano-silice forment des liaisons hydrogène avec les groupes amino, hydroxyle et autres groupes polaires sur les molécules de polymère, effectuant une réticulation physique-avec les molécules de polymère, augmentant le rayon hydrodynamique des chaînes de polymère et améliorant la capacité du système à convertir l'eau libre en eau liée.
En conséquence, la structure du réseau tridimensionnel-des molécules de polymère devient plus serrée et plus stable, la taille des pores diminue, la force colloïdale augmente et la résistance à la température s'améliore. Cependant, si la concentration de nano-particules de silice est trop élevée, les molécules de silice peuvent subir une réticulation excessive ou une auto-agrégation, ce qui peut affaiblir la résistance du gel du système de gel polymère ou même empêcher la formation de gel. De plus, le temps de gélification diminue avec l'augmentation de la concentration de nano-silice, ce qui entraîne des trajets d'écoulement du polymère plus courts, une couverture plus petite et une efficacité de colmatage considérablement réduite. Fadil et coll. construit un système d'ajustement de colmatage de gel de silice HPAM/Cr³⁺ nano- utilisant du HPAM, de l'acétate de chrome et des particules de nano-silice. Dans ce système, le temps de gélification diminuait avec l'augmentation de la température et de la concentration de particules de nano-silice. Lorsque la fraction massique de nano-silice était de 3 %, le temps de gélification était de 9 heures et la force colloïdale était de grade H, mais après 25 heures, la force colloïdale est passée du grade H au grade G. Par conséquent, lors de l'utilisation de la nano-silice comme agent stabilisant la température-dans les systèmes de gel polymère, elle doit être ajoutée en quantités appropriées.
3 systèmes de gel polymère à réticulation lente-
3.1 Systèmes de gel polymère à réticulation lente-à base de chrome métallique-
Les agents de réticulation à base de chrome métallique-sont l'un des agents de réticulation bloquant les gels-les plus couramment utilisés. Parmi eux, le taux de réaction de réticulation entre les agents de réticulation Cr³ et HPAM est élevé et difficile à contrôler. Pour résoudre les problèmes ci-dessus, les chercheurs nationaux et étrangers ont principalement proposé deux solutions.
3.1.1 Utilisation d'un système Redox
Cr⁶ est inerte dans les réactions de réticulation-avec HPAM. En ajoutant un agent réducteur, Cr⁶ est réduit en Cr³, et en ajustant la quantité d'agent réducteur, le temps de gélification peut être contrôlé. Actuellement, le sulfite de sodium et la thiourée se sont révélés très efficaces comme agents réducteurs. Dai Caili et d'autres ont construit un système de gel de chrome à réticulation lente-en utilisant du HPAM, du dichromate de sodium et de l'agent réducteur organique thiourée. La thiourée ayant un faible pouvoir réducteur, le temps de gélification atteint 8 à 10 jours. Dans une certaine plage de concentrations, à mesure que les fractions massiques de l'agent de réticulation et de la thiourée diminuent, le temps de gélification du système de gel de chrome est prolongé et la résistance augmente. L'excès de thiourée accélère la réduction de Cr⁶ en Cr³, accélérant la réticulation - du HPAM dans une structure de réseau, raccourcissant ainsi le temps de gélification. Un excès d'agent de réticulation-entraîne une sur-réticulation-, provoquant une déshydratation et une contraction localisées dans le système réticulé-, perturbant la continuité du réseau de gel et réduisant la résistance. Liu Wenjing et d'autres ont développé un système de gel à réticulation lente -en utilisant le HPAM, l'agent de réticulation dichromate de potassium, l'agent réducteur sulfite de sodium et l'agent réducteur faible sulfure (HN). Après ajout de HN, le temps de gélification s'étend de 5 heures à 17 heures. Le système présente une excellente résistance à la température et au sel, une bonne stabilité thermique et convient au blocage de l'eau et au contrôle du profil dans les réservoirs de pétrole avec une minéralisation inférieure à 50 g/L et des températures de 50 à 90 degrés.
3.1.2 Introduction des agents complexants
Des agents chélateurs sont introduits pour concurrencer le HPAM pour la coordination et l'échange des ions chrome afin de contrôler le temps de gélification. Les acides organiques comportant des groupes carboxyle et un faible poids moléculaire relatif sont couramment utilisés comme agents chélateurs, tels que l'acide acétique, l'acide propionique, l'acide malonique, l'acide lactique et l'acide salicylique. Albonio et Bartosek ont utilisé des agents chélateurs tels que l'acide glycolique, l'acide salicylique, l'acide malonique et l'acide acétique, et ont découvert que l'acide glycolique, l'acide salicylique et l'acide malonique ont une meilleure capacité à retarder la gélification dans le système de gel que l'acide acétique, le temps de gélification étant 12 à 33 fois plus long que celui du système d'acide acétique. Gao Zhiyong et d'autres ont synthétisé des agents de réticulation à gélification lente-en utilisant des ions métalliques hautement-valents et des acides organiques, obtenant des temps de gélification réglables entre 1 et 15 jours.
3.2 Système de gel polymère à réticulation lente PEI
La résistance à la température des systèmes gélifiants polymères à réticulation lente-à base de chrome métallique-ne dépasse pas 90 degrés. Dans les formations à haute -température et à haute-minéralisation, le temps de gélification est raccourci ou la réticulation-peut ne pas se produire, ce qui entraîne l'incapacité du système de gel à pénétrer profondément dans la formation. La polyéthylèneimine (en abrégé PEI) est un polymère respectueux de l'environnement et à faible -toxicité. Sa structure moléculaire contient un grand nombre de groupes amines primaires, secondaires et tertiaires, qui ont une réactivité chimique extrêmement élevée, ce qui en fait le polymère organique cationique présentant la densité de charge la plus élevée connue.
En raison de sa structure moléculaire particulière, certains chercheurs utilisent le PEI comme agent de réticulation pour le HPAM et ses dérivés dans les applications de contrôle de profil et de coupure d'eau-dans les puits de pétrole. Le PEI se réticule avec les groupes amide du HPAM via des réactions de substitution nucléophile, formant un système de gel de contrôle de profil couramment appliqué dans les formations à température moyenne - à basse - (40 à 80 degrés). Jia Hu et d'autres ont systématiquement analysé le mécanisme de gélification du système de gel PAM/PEI dans des conditions de température moyenne- à basse- (40 à 60 degrés) et son effet colmatant sur la porosité centrale. Le temps de gélification peut être contrôlé entre 15 heures et 9 jours, ce qui est nettement plus long que celui des systèmes conventionnels à gel d'ions métalliques.
Cependant, le processus de réticulation du PEI avec le PAM est assez sensible à la température ; plus la température est élevée, plus le temps de réticulation est court. Actuellement, les méthodes permettant de retarder la gélification dans les formations à haute -température incluent principalement l'ajustement du pH du système, l'introduction d'ions métalliques et l'incorporation de grands groupes de chaînes latérales-.
3.2.1 Ajustement du pH pour retarder la gélification
Polyethyleneimine (PEI) molecules contain a large number of positively charged imine groups, making them inherently basic substances. Zou Zhou's research found that under acidic conditions, the presence of H+ leads to the protonation of the positively charged PEI molecules, preventing the PAM/PEI gel system from gelling. Qin Yi and colleagues discovered that the gelling time of the PAM/PEI gel system is 15 minutes at 130°C under weakly alkaline conditions (pH=9), whereas under neutral conditions, the gelling time can be delayed up to 30 minutes. Mohammed and others systematically analyzed the effect of pH on the gelling of the HPAM/PEI gel system at 70–90°C by establishing a mathematical model. The results showed that the gel system gels fastest and most stably at pH=10.5; in strongly alkaline environments (pH>10,5), plus le pH est élevé, plus le temps de gélification est long et plus la viscosité du système de gel est faible, et il peut même ne pas réussir à gélifier.
3.2.2 Introduction d'ions métalliques pour ralentir la gélification
Étant donné que les ions métalliques (Na, K, Ca²⁺, etc.) peuvent protéger les charges des molécules PEI, ils peuvent réduire sa réactivité et agir comme retardateurs de réticulation. Des sels métalliques tels que NaCl et Na₂CO₃ ont été utilisés comme retardateurs sur le terrain. Li Qiang et d'autres ont utilisé du SiO₂ modifié au cétyltriméthylammonium- comme agent de renforcement pour construire un système de gel nano SiO₂/polyacrylamide (HPAM)/polyéthylèneimine (PEI). Lorsque la concentration de NaCl a augmenté de 0 mg/L à 1,0 × 10⁵ mg/L, le temps de gélification a été retardé de 3 heures à 5 jours, mais la force du gel a diminué du grade I au grade G.
3.2.3 Introduction de grands groupes de chaînes latérales-pour retarder la gélification
Les grands groupes de chaînes latérales (tels que les groupes sulfonate) peuvent augmenter l'encombrement stérique des chaînes moléculaires du polymère, ce qui peut à la fois améliorer la résistance au sel et à la température du polymère et retarder le temps de gélification. Lü Junxian et d'autres ont utilisé l'acrylamide et l'acide 2-acrylamido-2-méthylpropane sulfonique comme monomères, le chlorhydrate d'azodiisobutyramidine comme initiateur et la polyéthylèneimine et le N,N'-méthylènebisacrylamide comme agents de réticulation. En combinant la polymérisation radicalaire avec la réticulation du polymère, ils ont développé un agent colmatant polymère à réticulation retardée à haute température, le PM-1, qui présente des avantages tels qu'une résistance de gel élevée et un temps de gélification contrôlable à haute température. Dans le système d'agent colmatant PM-1, une teneur accrue en groupes acide sulfonique peut améliorer la résistance thermique du système de gel et retarder le temps de gélification.
Bien que le PEI ait une très faible toxicité, son processus de synthèse produit une grande quantité de pollution. La méthode de synthèse actuellement courante utilise l'éthanolamine comme matière première, le produit intermédiaire étant l'aziridine hautement toxique, et le processus de production génère une grande quantité d'eaux usées acides et alcalines, causant des dommages environnementaux importants. La société allemande BASF a développé une méthode pour préparer le PEI par polycondensation d'éthanolamine ou d'éthylène glycol avec de l'éthylènediamine, qui ne produit pas d'aziridine comme intermédiaire. Cependant, cette réaction nécessite un catalyseur de métal de transition, ce qui augmente considérablement le coût, et cette méthode ne peut pas contrôler la structure moléculaire du PEI, ce qui conduit à une incertitude et peut-être à l'échec de l'obtention du produit cible.
4 Système de gel d'étanchéité à base de bio-ton-
Le remplacement des produits chimiques traditionnels pour les champs pétrolifères par des produits chimiques respectueux de l’environnement est devenu l’une des tendances du développement futur. Le chitosane (CS) est le deuxième polymère naturel le plus abondant, préparé par désacétylation de la chitine. Il s'agit d'un polysaccharide linéaire portant le nom chimique P-(1,4)-2-amino-2-désoxy-D-glucose et de formule moléculaire (C₆HnNO₄)ₙ. De la structure moléculaire du chitosane, on peut voir que la chaîne moléculaire du chitosane contient un grand nombre de groupes hydroxyle et amino primaire, qui peuvent subir des réactions telles que l'alkylation et l'acylation. Zhao Shicheng et d'autres ont utilisé de l'huile blanche n°7 comme phase huileuse, de l'acrylamide (AM) et de l'AMPS comme monomères réactifs, et du CS comme agent de réticulation pour préparer des microsphères CS/P(AM-AMPS) par la méthode de microémulsion inverse, avec une taille de particule moyenne d'environ 100 nm et une tolérance de température supérieure à 200 degrés. Yang Yang et d'autres ont utilisé du CS, du N,N'-méthylènebisacrylamide (MBA) et du polyacrylamide partiellement hydrolysé (HPAM) comme matières premières pour préparer un agent colmatant de gel de chitosane réticulé organique. Dans des conditions de température de 120 degrés et de minéralisation de 30 000 mg/L, le temps de gélification était de 16 heures et la force du gel était de 170 Pa. Dans une plage de pH de 3,2 à 5,6, à mesure que le pH diminuait, la réaction de réticulation ralentissait, mais la force du gel diminuait.
Le chitosane est devenu un sujet de recherche dans divers domaines en raison de sa structure moléculaire unique. Cependant, la chitine est une substance extrêmement difficile à dissoudre et le processus de désacétylation de la chitine produit une grande quantité d'eaux usées alcalines. Des améliorations supplémentaires sont donc nécessaires pour réduire la pollution.
5 Conclusion
Il existe actuellement près d'une centaine de types d'agents bloquants sur le marché, mais très peu conviennent aux formations à haute -température et à haute-minéralisation. Les agents bloquants de gel polymère peuvent contrôler le temps de gélification et la force du gel tout en étant relativement peu coûteux, et ils ont un potentiel de développement dans des formations à haute -température et haute-minéralisation.
Le système de gel de polyacrylamide modifié améliore sa résistance à la température et au sel en introduisant des groupes rigides hydrophobes et à grande chaîne latérale-, répondant ainsi aux exigences des formations à haute-température et à haute-minéralisation.
L'introduction de nano-particules de silice peut encore améliorer la résistance à la température et au sel des systèmes de gel polymère. Cependant, lorsque la concentration de particules de nano-silice est trop élevée, elles ont tendance à s'agréger, ce qui entraîne un temps de gélification raccourci et une force de gel affaiblie.
Les agents de réticulation conventionnels à base de phénol-formaldéhyde et de chrome-sont toxiques, tandis que les agents de réticulation polyéthylèneimine de haut-poids moléculaire-ont une très faible toxicité et présentent une réticulation retardée, ce qui les rend prometteurs pour une utilisation dans des formations à haute-température et haute-salinité. Cependant, leur processus de production est complexe, l'éthylèneimine étant un intermédiaire hautement toxique, et de grandes quantités d'eaux usées sont générées pendant la production. Par conséquent, une optimisation plus poussée du processus de synthèse est nécessaire.
Le remplacement des produits chimiques traditionnels pour les champs pétrolifères par des produits chimiques respectueux de l’environnement est devenu l’une des tendances de développement futures. Le chitosane est le deuxième plus grand matériau polymère naturel et contient un grand nombre de groupes hydroxyle et amino primaires, qui peuvent subir des réactions telles que l'alkylation et l'acylation, ce qui en fait un substitut potentiel aux agents de réticulation traditionnels. Cependant, le processus de désacétylation de la chitine génère une grande quantité d’eaux usées alcalines ; des améliorations supplémentaires sont donc nécessaires pour réduire la pollution.
