Биокатионный буровой раствор
Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин, а именно к буровым растворам. Техническим результатом изобретения является создание биокатионного бурового раствора без твердой фазы с плотностью 1070-1520 кг/м3, обладающего улучшенными антифильтрационными и смазочными свойствами. Биокатионный буровой раствор на водной основе, содержащий катионную гамму и полимерную присадку, в качестве катионной гаммы содержит хлориды кальция и натрия, а в качестве полимерной присадки - биополимер ксантанового ряда при следующем соотношении компонентов, % мас.: катионная гамма 10-60, полимерная присадка 0,1-2, вода остальное. 2 табл.
Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин, в частности, к буровым растворам.
Общеизвестно, что единственным методом регулирования гидростатического давления столба бурового раствора является изменение его плотности путем введения инертных утяжеляющих материалов. В настоящее время доказано, что большое количество твердой фазы в буровом растворе отрицательно сказывается на технико-экономических показателях бурения. Поэтому, наиболее перспективным является создание растворов без твердой фазы, плотность которых регулируется добавками водорастворимых солей. Так, известно семейство высокоплотных промывочных жидкостей на основе рассолов бромидов кальция и цинка [1]. Эти промывочные жидкости плотностью до 1800 кг/м3 имеют достаточно высокие технологические показатели, но очень дорогостоящи и экологически неудовлетворительны, и, в связи с этим, их применение не всегда экономически оправдано.
В качестве прототипа, по совокупности основных технологических характеристик, выбран хлоркальциевый буровой раствор на водной основе, содержащий катионную гамму, включающую хлорид кальция и/или карбонат кальция и/или гидроксид натрия, а также полимерную присадку, включающую биополимерный загуститель и крахмальный модифицирующий агент для загустителя [2]. Данный буровой раствор разработан с целью максимального снижения прихватоопасности при проведении буровых работ, что обеспечивается уменьшением толщины фильтрационной корки на стенке скважины и повышением устойчивости горизонтальных стволов. Биополимерный загуститель N-VIS НВ обеспечивает высокие удерживающие и выносящие свойства бурового раствора, а также демонстрирует отличную термосолестойкость при термобарических воздействиях.
Однако раствор-прототип обладает рядом недостатков.
Во-первых, плотность хлоркальциевого бурового раствора без твердой фазы жестко ограничена водорастворимостью хлорида кальция и не может превышать 1390 кг/м3. Поэтому при вскрытии нефтеносных горизонтов с повышенным пластовым давлением хлоркальциевый раствор дополнительно утяжеляют карбонатным утяжелителем до адекватной плотности в интервале 1400-1550 кг/м3. Это приводит к повышенному содержанию твердой фазы в утяжеленном растворе, что увеличивает опасность твердофазной кольматации и потери продуктивности коллектора.
Во-вторых, использование в качестве полимерной присадки композиции биополимера с крахмальным реагентом не является оптимальным и не обеспечивает максимальное снижение жидкофазной кольматации продуктивной зоны. Дело в том, что жесткоцепные высокоориентированные полиспирали крахмала, так же, как и жесткие регулярные полиспирали биополимера, конформационно не взаимодействуют с катионами кальция, которые весьма сильно повышают гидрофобность полиэлектролитов, значительно ограничивая их растворимость и степень набухания в водной среде. Поэтому, фильтрационная полимерная корка, формирующаяся на стенках скважины, обладает повышенной гидрофобной пористостью, что приводит к трудностям, связанным с повышенной водоотдачей хлоркальциевого раствора, контролировать которую весьма затруднительно.
В-третьих, повышенная гидрофобность полимерной фильтрационной корки приводит к недостаточно эффективной смазочной активности хлоркальциевого раствора. При этом, гидрофобизированные полимерные пленки формируются, как на стенках горизонтального ствола, так и на поверхности бурильных труб, что значительно увеличивает адгезионную прихватоопасность.
Задачей изобретения является создание биокатионного бурового раствора без твердой фазы с плотностью 1070-1520 кг/м3, обладающего улучшенными антифильтрационными и смазочными свойствами.
Сущность изобретения состоит в том, что новый биокатионный буровой раствор на водной основе содержит катионный реагент и полимерную присадку и отличается тем, что в качестве катионной гаммы содержит хлориды кальция и натрия, а в качестве полимерной присадки содержит биополимер ксантанового ряда, % (мас.):
| Катионная гамма | 10-60 |
| Полимерная присадка | 0,1-2 |
| Вода | Остальное |
В ходе лабораторных испытаний по проверке эффективности предложенного биокатионного бурового раствора измерялись следующие свойства: показатель фильтрации (измерения проводились в течение 30 минут при давлении 7 атм); коэффициент трения (измерения проводились на приборе фирмы "Baroid"; реологические характеристики раствора: пластическая вязкость ηпл, динамическое напряжение сдвига τо, статическое напряжение сдвига через 1 и 10 мин (СНС) (измерения проводились на вискозиметре FANN фирмы "Baroid").
Биокатионный буровой раствор, по сравнению с прототипом, обладает следующими преимуществами.
Во-первых, плотность биокатионного раствора регулируется в более широких пределах от 1180 до 1520 кг/м3 без добавок твердофазного утяжелителя. Это достигается применением сочетаний солей кальция и натрия в соленасыщенной дисперсионной среде бурового раствора. В табл.1 приведены сведения о плотностях рассолов, которые можно получить, используя соли катионной гаммы, применяемые в биокатионном буровом растворе. Для этого обычно готовят водный раствор 1-валентного хлорида натрия заданной плотности, а затем утяжеляют хлоридом кальция до насыщения по двухвалентному катиону. Так, если плотность исходного раствора хлорида натрия была 1110 кг/м3, то введение хлористого кальция до насыщения обеспечит плотность рассола 1480 кг/м3. Весьма важно, что наиболее эффективные катионы кальция и натрия, используемые в биокатионном растворе, обладают отрицательной гидратацией. Это значит, что подвижность диполей воды в их гидратных оболочках выше, по сравнению с подвижностью объемной воды. Это обеспечивает высокую взаимную растворимость солей кальция и натрия даже при использовании одноименных анионов (хлорид-анионов). Таким образом, использование изложенного механизма регулирования плотности биокатионного раствора позволяет минимизировать содержание в его составе твердой фазы, что значительно снижает опасность твердофазного повреждения призабойной зоны.
Во-вторых, использование в составе полимерной присадки биокатионного раствора с биополимером ксантанового ряда создает условия для оптимизации технологических свойств в результате межреагентного стабилизационного синергетического эффекта. В молекулах неионогенных полиэфиров, участвующих в образовании внутренних водородных связей, отсутствует электростатический фактор стабилизации ориентированных спиральных структур, что обуславливает равновероятное распространение структурных звеньев полиэфира по всем направлениям. Биополимер, в результате наличия периодически повторяющихся парных ангидроглюкозных триад, несущих анионные группы, имеет вид упругой спирали, каторая теряет эластичность и гидрофильность при поликатионной агрессии. Гидрофильность же полиоксиалкиленовых цепочек полиэфирных реагентов в значительной степени сохраняется из-за их способности аккумулировать поливалентные катионы с отрицательной гидратацией в составе ион-дипольных подандных ассоциатов. Электростатическое взаимодействие поликатионных подандных ассоциатов с анионными макромолекулами биополимеров лежит в основе межполимерного синергетического эффекта, существенно повышающего гидрофильность и водонепроницаемость фильтрационных пленок. Поэтому, биокатионный раствор, по сравнению с хлоркальциевым прототипом, имеет более высокие антифильтрационные свойства (табл.2), которые легко поддерживать и регулировать.
В-третьих, биокатионный раствор образует более гидрофильную фильтрационную корку по сравнению с хлоркальциевым прототипом, что снижает опасность прилипания бурильной колонны и обеспечивает улучшенные смазочные характеристики (табл.2).
Таким образом, предложенный биокатионный буровой раствор, по совокупности технологических характеристик, превосходит хлоркальциевый раствор-прототип.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Рябоконь С.А. и др. Регулирование свойств буровых растворов на основе бромида кальция// Нефтяное хозяйство. - №3, 1982. - С.18-20.
2. Винчестер Д., Гудспет Д., Боатмен Ч., Вест Г. Безаварийное бурение горизонтальных скважин с использованием хлоркальциевого высоковязкого бурового раствора// Нефтегазовые технологии. - №1, 2000. - С.58-61
| Таблица 1 ВЛИЯНИЕ ПРИРОДЫ СОЛЕЙ КАТИОННОЙ ГАММЫ НА ПЛОТНОСТЬ БИОКАТИОННОГО РАСТВОРА | |||||
| NaCl,% (мас.) | KCl% (мас.) | К2СО3% (мас.) | CaCl2% (мас.) | Са(NO3)2% (мас.) | Плотность рассола, кг/м3 |
| 23 | - | - | - | 1180 | |
| - | 25 | - | - | - | 1200 |
| - | - | 56 | - | - | 1430 |
| - | - | - | 49 | - | 1390 |
| - | - | - | - | 60 | 1550 |
| 6 | - | - | 49 | - | 1490 |
| 11 | - | - | 49 | - | 1520 |
| - | - | - | 25 | 35 | 1600 |
| 10 | - | - | - | 10 | 1260 |
| Таблица 2 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ БИОКАТИОННЫХ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ | ||||||||
| СОСТАВ РАСТВОРА,% (мас.) | ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ | |||||||
| ρ, кг/м3 | Т, с | СНС, дПа | В, см3 | pH | ηпл. мПа·с | τo, дПа | Kтр. | |
| Катионная гамма - 60% (CaCl2:NaCl=5:1) Полимерная присадка - 0,1% (биополимер:поливиниловый спирт = 1:5) | 1520 | 50 | 34/48 | 1,5 | 6,1 | 40 | 72 | 0,02 |
| Катионная гамма - 60% (CaCl2:NaCl:CaCO3=10:1:1) Полимерная присадка - 0,15% (биополимер: оксиэтилцеллюлоза = 1:6) | 1520 | 52 | 29/34 | 0,4 | 6,7 | 35 | 144 | 0,015 |
| Катионная гамма - 10% (NaCl) Полимерная присадка - 2% (биополимер:гидроксиэтилцеллюлоза = 1:5) | 1070 | 85 | 55/69 | 2,5 | 7,1 | 25 | 288 | 0,08 |
| Катионная гамма - 10% (NaCl) Полимерная присадка - 2% (биополимер: полиалкиленгликоль = 1:5) | 1070 | 65 | 45/65 | 4,5 | 7,5 | 19 | 293 | 0,07 |
| Прототип Катионная гамма - 60% (CaCl2:СаСО3=3:1) Полимерная присадка - 0,15% (биополимер:крахмал = 1:6) | 1500 | 53 | 25/48 | 4,0 | 6,6 | 42 | 110 | 0,07 |
Биокатионный буровой раствор на водной основе, содержащий катионную гамму и полимерную присадку, отличающийся тем, что в качестве катионной гаммы содержит хлориды кальция и натрия, а в качестве полимерной присадки содержит биополимер ксантанового ряда при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Катионная гамма | 10-60 |
| Полимерная присадка | 0,1-2 |
| Вода | Остальное |
