Способ приготовления водных буровых растворов на основе глины, не агрессивных к глинистым слоям, и обработанная глина

 

Способ приготовления водных буровых растворов на основе глины, не агрессивных к глинистым слоям, при котором глину диспергируют в водном растворе, содержащим необходимое количество диспергирующего агента для разжижения бурового раствора, отделяют глину от водного раствора, содержащего неадсорбированный диспергирующий агент, и затем диспергируют в воде обработанную таким образом глину. 2 с. и 4 з.п.ф-лы, 4 табл.

Настоящее изобретение относится к области бурения нефтяных скважин, а более точно, к способу приготовления водных буровых растворов на основе глины, не агрессивных к глинистым слоям и обработанной глине.

При бурении нефтяной скважины очень часто используются текучие среды на водной основе, которые содержат глины, в частности бентонитовую глину, и различные типы присадок, к которым относятся необходимые диспергирующие агенты, предназначенные для получения требуемых реологических свойств. Если сравнить с нефтяными буровыми растворами, то эти водные буровые растворы имеют преимущества более низкой стоимости и более низкой способности загрязнения. Однако они имеют недостаток, заключающийся в агрессивности к глинистым слоям, встречающимся во время бурения скважины, и к глинистым отходам, образующимся в ходе этого бурения.

Диспергирование этой глины в раствор ведет к ухудшению реологических свойств бурового раствора и частичному или, в наихудшем случае, полному разрушению боковых стенок буровой скважины с последующим закупориванием буровой скважины.

Агрессивность, в частности, происходит вследствие наличия диспергирующих агентов, обычно полимерного типа, добавляемых в буровой раствор с целью содействия диспергированию бентонитовой глины и обеспечения раствора соответственной текучестью. Вследствие того, что полимерный диспергирующий агент только частично адсорбируется на бентонитовой глине, та часть диспергирующего агента, которая остается свободной в растворе, может, таким образом, также действовать на глинистый слой и на глину, содержащуюся в материале буровых отходов, увеличивая вышеуказанные проблемы.

Для устранения или, по крайней мере, уменьшения этих недостатков в известном уровне техники описывается использование дополнительных присадок (которые в любом случае увеличивают общую стоимость раствора). Например, в патенте США N 4664818 раскрыта добавка к буровым растворам, которая состоит из частично гидролизированного сополимера акрилата-акриламида, карбоксиметиловой целлюлозы и KCl с уровнем выше 50%.

В EP N 333458 раскрыты смеси растворимых в воде добавок с высоким молекулярным весом, способных образовывать довольно прочные нуклеофильные участки при обработке основаниями и одной или более солями калия, имеющими довольно высокое щелочное свойство с целью увеличения водородного показателя бурового раствора до значения выше 9.

В патенте США N 3953336 раскрыто использование буровых растворов на водной основе, содержащих целлюлозную производную.

В заявке Великобритании N 2216574 раскрыт способ приготовления водных буровых растворов на основе глины, не агрессивных к глинистым слоям, включающий диспергирование в воде глины, и диспергирующего агента для разжижения. В качестве диспергирующего агента используют полиглицерин.

Техническим результатом настоящего изобретения является устранение агрессивности водных буровых растворов на основе глины к глинистым слоям и сокращение потребления диспергирующего агента для бурового раствора.

Этот технический результат достигается тем, что в способе приготовления водных буровых растворов на основе глины, не агрессивных к глинистым слоям, включающем диспергирование в воде глины, диспергирующего агента для разжижения, согласно изобретению, глину диспергируют в водном растворе, содержащем необходимое количество диспергирующего агента для разжижения, отделяют глину от водного раствора, содержащего неадсорбированный диспергирующий агент, затем обработанную таким образом глину диспергируют в воде.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления используемой для приготовления бурового раствора глины является бентонитовая глина.

Чаще всего используемыми диспергирующими агентами для разжижения основанных на бентонитовой глине буровых растворов являются лигносульфонаты, лигниты, полиакрилаты и частично гидролизованные полиакриламиды.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, диспергирующими агентами являются полиакрилаты или его сополимеры.

Необходимое количество диспергирующего агента для разжижения упомянутых буровых растворов зависит от химической природы этого диспергирующего агента и от типа бентонитовой глины.

При использовании лигниновых диспергирующих агентов это количество обычно находится в диапазоне от 0,5 до 3% по весу на основании бурового раствора, в то время как при использовании полимерных диспергирующих агентов такое количество находится в диапазоне от 0,03 до 0,5% по весу.

Вышеописанный технический результат достигается также и тем, что обработанная глина, согласно изобретению, получена посредством контакта глины с водным раствором, содержащим необходимое количество диспергирующего агента для разжижения и последующего отделения ее от полученного раствора. Предпочтительно, чтобы глиной являлся бентонит.

Водную дисперсию бентонита и диспергирующий агент перемешивают в течение довольно длительного периода времени, достаточного, по крайней мере, для того, чтобы получить адсорбцию диспергирующего агента. Этот период обычно составляет примерно 30 мин.

Во время этого этапа часть диспергирующего агента адсорбируется на поверхности глины, оставляя равновесие в растворе. На поверхности глины адсорбируется такое количество, которое соответствует равновесию твердого диспергирующего агента. В случае диспергирующих агентов полиакрилового типа это количество составляет примерно одну третью часть общего количества, добавленного для разжижения бурового раствора.

Температура, при которой глина уравновешивается с диспергирующим агентом, не имеет решающего значения. Способ предпочтительно выполняют при температуре, находящейся в диапазоне от 10 до 40^oC.

Затем восстанавливается обработанная глина, то есть глина, поверхность которой покрыта диспергирующей добавкой.

Упомянутую глину можно отделить от водного раствора в соответствии с хорошо известной методикой разделения жидкого и твердого вещества, предпочтительно центрифугированием.

За этим этапом восстановления глины могут следовать один или более этапы промывания водой, чтобы полностью удалить любой диспергирующий агент, который не сильно связан с глиной.

После этого обработанную таким способом глину вновь диспергируют в воде и получающийся буровой раствор используют в качестве текучей среды для бурения скважины, в частности подходящей для бурения нефтяных скважин, имеющих температуру примерно 120-170^oC.

Получающийся буровой раствор можно смешивать с другими добавками, что обычно используют в конце образования. Таким образом можно добавлять, например, сгущающие агенты, агенты потери жидкости, агенты управления фильтрованием и так далее.

Кроме того, в полученный таким образом буровой раствор можно добавлять растворимые в воде соли, чтобы регулировать ионную силу, а также соответствующие вещества, предназначенные для регулирования водородного показателя этого бурового раствора до требуемой величины. Обычно водородный показатель приготовленного таким способом бурового раствора находится в диапазоне от 9 до 12.

Повторное диспергирование в воде обработанной таким способом бентонитовой глины не вызывает удаления адсорбированного диспергирующего агента, по крайней мере, при обычных условиях времени и температуры использования бурового раствора. Это означает, что упомянутый адсорбированный диспергирующий агент продолжает выполнять свою функцию в качестве диспергирующего агента бентонитовой глины также при отсутствии других диспергирующих агентов в растворе.

Приготовленный таким образом буровой раствор благодаря практически отсутствию растворенного в воде диспергирующего агента демонстрирует потерю агрессивности к глиняным слоям, и процесс в целом требует более низкого потребления диспергирующей добавки, потому что неадсорбированное количество, содержащееся в первоначальном водном растворе, можно легко восстановить и обеспечить повторный цикл.

Предварительно обработанную глину в соответствии с настоящим изобретением можно также хранить в течение длительного времени и при необходимости использовать для приготовления бурового раствора.

Ниже приводятся примеры, предназначенные для лучшего раскрытия настоящего изобретения.

Приготовление бентонитовых глин для пассивации буровых растворов.

Схема 1. Этот способ получения бурового раствора, не агрессивного к глиняным слоям, основан на удалении посредством этапов промывания свободного диспергирующего агента, растворенного в однородной фазе, из дисперсии бентонитовой глины, смешанной с диспергирующим агентом.

Дисперсию бентонитовой глины в воде готовят с соответствующим количеством диспергирующего агента, дисперсию глины центрифугируют и получают плотный осадок глины с адсорбированным диспергирующим агентом и водный раствор, содержащий неадсорбированный диспергирующий агент (всплывающий наверх в результате отстаивания).

Приготовленная таким способом бентонитовая глина является основным компонентом, предназначенным для приготовления неагрессивного бурового раствора.

Пример 1. Степень, до которой добавленный в дисперсию диспергирующий агент адсорбируется на глине, и обратимость адсорбции проверяли посредством использования водной дисперсии гомоионного натриевого монтмориллонита SW_y-I Уайоминга, где в качестве диспергирующего агента использовали промышленный полиакрилат, имеющий средневесовой молекулярный M_w, равный примерно 4000, приготовленный при следующих условиях: натрий-монтмориллонит - 0,27% в весовом отношении, диспергирующий агент - 0,13% в массовом отношении, процентное содержание соли - 0,05 М NaCl, pH 11.

Приготовленную таким способом дисперсию приводили в равновесие в течение 16 час, а затем подвергали 2-часовому центрифугированию со скоростью 14000 об/мин. Полученное всплывающее наверх вещество подвергли анализу на суммарный органический углерод с целью определения количества свободного диспергирующего агента, содержащегося в растворе в начальной дисперсии. Осадок (бентонитовую глину с адсорбированным диспергирующим агентом) вновь диспергировали в свежем растворе, имеющем в этом примере такие же условия содержания соли и показателя pH, как в первоначальной дисперсии (pH 11, 0,05 М NaCl), а затем дали возможность дисперсии уравновеситься в течение 16 часов. Затем полученную уравновешенную дисперсию снова центрифугировали и определяли количество диспергирующего агента во всплывшем наверх веществе с целью проверки возможности освобождения какого-то адсорбированного диспергирующего агента. Этот цикл повторили три раза. Полученные результаты приведены в табл. 1.

Можно видеть, что после последовательных дисперсий глины в осадке в растворе обнаруживается наличие все меньшего и меньшего количества диспергирующего агента. Этот результат говорит о том, что часть диспергирующего агента, который остался адсорбированным, оказывается прочно связанный с адсорбирующей поверхностью глины.

Пример 2. В этом примере проверяется действие дисперсии, приготавливаемой в соответствии с методикой, изложенной в схеме 1 примера 1, посредством сравнения между собой трех дисперсий: 1) 3,7% в массовом отношении бентонита Уайоминга в воде ("образец A"); 2) такая же дисперсия, как и в вышеприведенном пункте 1, с добавлением такого количества диспергирующего агента, чтобы получить следующие соотношения диспергирующего агента: глины по весу 0,012 ("образец B"); 3) дисперсия предварительно обработанной глины с такой же концентрацией, как и в образце вышеприведенного пункта 1 ("образец C").

Поскольку методика схемы 1 из-за промывок деионизированной воды вызывает в конце диспергирования уменьшение количества соли в растворе по сравнению с образцами A и B, использовали методику приготовления для образца C (схема 2), которая несколько отличается от предыдущих методик.

Схема 2. Приготавливают дисперсию бентонита Уайоминга в воде с массовым соотношением 3,7% и отстаивают ее в течение 24 часов, чтобы подвергнуть гидратации; затем дисперсию добавляют таким образом, чтобы получить следующее соотношение диспергирующего агента: глины 0,012 по весу, и полученную дисперсию уравновешивают в течение 48 часов. Подвергая полученную дисперсию 2-часовому центрифугированию со скоростью 14000 об/мин, достигают отделения твердого диспергирующего агента, несущего осадок "SD", из растворенного диспергирующего агента, содержащего всплывающее вверх вещество "LD". В то же время первоначальную водную дисперсию, содержащую 3,7% в массовом отношении бентонита Уайоминга в течение 2 часов со скоростью 14000 об/мин для получения текучего всплывающего вверх вещества "L"; и наконец, осадок с диспергирующим агентом "SD" вновь диспергируют во всплывающем вверх веществе "L".

Таким образом получается дисперсия предварительно обработанной глины, в которой водная фаза имеет значения процентного содержания соли и показателя pH, которые примерно такие же, как для образцов A и B.

Реологические свойства приготовленных таким способом трех образцов показаны в табл. 2. Измерения выполняли посредством ротационного вискозиметра VOR Болина. Значения вязкости при 1,16 с^-1 и 92,3 м^-1 и значения модуля упругости "G" при частоте 1 Гц приведены в табл. 2.

Данные табл. 2 показывают, что часть диспергирующего агента, оставшаяся адсорбированной на бентоните образца C, достаточно большая, чтобы обеспечить возможность дисперсии, полученной в соответствии с настоящим изобретением, сохранить те же реологические характеристики, как и у образца B, созданного в соответствии с нормальной методикой.

Пример 3. Чтобы проверить, что адсорбция диспергирующего агента на глине очень прочная и что хорошая дисперсия бентонитовой глины удерживается также при высоких температурах, реологические измерения произвели после выдерживания в течение 16 час при высокой температуре 150^oC.

Используемые для этих испытаний образцы были приготовлены в соответствии с той же методикой, которая описана в схеме 2, примера 2 и сравнительные измерения были выполнены на двух дисперсиях: первой дисперсии, содержащей 7% бентонита Магкогела, смешанного с диспергирующим агентом, чтобы получить следующее соотношение диспергирующего агента: глины по весу 0,012 (образец B); второй дисперсии, такой же, как первая дисперсия после предварительной обработки (образец C).

Результаты, приведенные в табл. 3, относятся к измерениям, выполненным на образцах B и C перед и после теплового воздействия.

Из вышеприведенных результатов измерений можно видеть, что даже после теплового воздействия реологические параметры обеих дисперсий остаются примерно такие же.

Пример 4. Чтобы показать, что приготовленная дисперсия, из которой был удален свободный диспергирующий агент, находящийся в растворе, менее агрессивная к глинистому слою, чем дисперсия, в которую был добавлен диспергирующий агент посредством нормального способа, соответствующего известному уровню техники, используется испытание горячей прокаткой.

Испытание проводят посредством добавления в дисперсию известных количеств глинистого слоя в форме гранул с определенными размерами частиц (2-4 мм). Приготовленная таким образом дисперсия подвергается тепловому воздействию в течение 4 час при температуре 93^oC внутри контейнера, обеспечивающего прокатку со скоростью вращения 17 об/мин. И наконец, дисперсию охлаждали и из нее удаляли остаток гранулированной глины.

Эти восстановленные гранулы промывали замедляющей жидкостью, сушили в печи и взвешивали с целью определения процентного количества восстановленной глины. Чем выше агрессивность дисперсии, тем меньше восстановленного количества гранулированной глины.

В табл. 4 представлены результаты, которые были получены в результате измерений, выполненных ротационным вискозиметром Фанн 35 SA с аппаратурой RIFIBI, вместе с результатами, полученными при выполнении испытания горячей прокаткой бурового раствора B и бурового раствора C, приготовленных в соответствии с настоящим изобретением.

Значения кажущейся вязкости, пластической вязкости, предела текучести и предела прочности геля весьма аналогичны для образца B, смешанного с диспергирующим агентом, и образца C, смешанного с диспергирующим агентом, обработанного в соответствии с настоящим изобретением перед испытанием горячей прокаткой.

Испытания горячей прокаткой, приведенные на этих дисперсиях, подтверждают, что посредством удаления избытка диспергирующего агента из раствора агрессивность дисперсии к глинистому слою уменьшается. В случае образца B получается скорость восстановления глины, равная 45%, по сравнению со скоростью восстановления, равной 63%, полученной в случае образца C.

Реологические измерения, выполненные на дисперсиях после испытания горячей прокаткой, показали, что глина, которая оказалась частично диспергированной, обычно увеличивает реологические параметры, однако без сильного воздействия на поведение. Необходимо отметить, что образец C благодаря обеспечению более низкой дисперсии глины в буровой раствор обеспечил более низкие увеличения.

Из вышеописанных экспериментов можно сделать вывод, что обработка глины в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает реологические характеристики дисперсии, которые сопоставимы с характеристиками, приобретаемыми дисперсией посредством добавления диспергирующего агента; более того, полученная дисперсия обеспечивает более низкую агрессивность к глинистому слою.

Формула изобретения

1. Способ приготовления водных буровых растворов на основе глины, не агрессивных к глинистым слоям, включающий диспергирование в воде глины, диспергирующего агента для разжижения, отличающийся тем, что глину диспергируют в водном растворе, содержащем необходимое количество диспергирующего агента для разжижения, отделяют глину от водного раствора, содержащего неадсорбированный диспергирующий агент, затем обработанную таким образом глину диспергируют в воде.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве глины используют бентонит.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве диспергирующего агента для разжижения используют полиакрилат или его сополимер.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отделяют глину от водного раствора, содержащего неадсорбированный диспергирующий агент, центрифугированием.

5. Обработанная глина, отличающаяся тем, что она получена посредством контакта глины с водным раствором, содержащим необходимое количество диспергирующего агента для разжижения, и последующего отделения ее от полученного раствора.

6. Обработанная глина по п.5, отличающаяся тем, что глиной является бентонит.

РИСУНКИ

Рисунок 1