Буровой раствор
Владельцы патента RU 2300548:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный горный институт имени Г.В. Плеханова (технический университет)" (RU)
Изобретение относится к области бурения скважин и может применяться при бурении бетона и особо прочных пород алмазными коронками. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности охлаждения бурового инструмента и за счет этого - снижение его износа. Буровой раствор на водной основе содержит, мас.%: карбоксиметилцеллюлозу КМЦ 5-7, пеногаситель - полимер 0,8-1, поглотитель тепла - Глауберову соль - мирабилит 20-30, вещество, вызывающее кольматацию, - горчичный порошок 3-5, воду - остальное. 3 табл.
Изобретение относится к области бурения скважин и может применяться при бурении бетона и особо прочных пород алмазными коронками.
Известен буровой раствор (патент РФ №2103311 С09К 7/00, 1998.01.27). Изобретение относится к бурению нефтяных и газовых скважин, а именно к составам буровых растворов. Для получения высокоингибированного бурового раствора заменяют при основных ингибирующих компонентов (CaCl2, Са(ОН)2, NaOH) и пеногаситель в известной рецептуре хлоркальциевого раствора на один компонент комплексную соль. Буровой раствор содержит глину, конденсированную сульфит-спиртовую барду КССБ, карбоксиметилцеллюлозу КМЦ и комплексную соль при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: бентонит 8-20; КССБ-4 5-7; КМЦ-600 1-2; комплексная соль 1,75-3,65; вода - остальное. При замене в известной хлоркальциевой рецептуре раствора трех основных ингибирующих компонентов на комплексную соль сохраняется эквивалентное содержание по CaCl2 (1-2 мас.%) и поддерживается необходимая концентрация катионов кальция в фильтрате (3000-5000 мг/л), при этом ингибирующие свойства предлагаемого раствора почти в 2 раза превышают аналогичные свойства известной хлоркальциевой рецептуры бурового раствора. Недостатком указанного изобретения является низкое охлаждение бурового инструмента, вызывающее его повышенный износ.
Известен безглинистый буровой раствор, принятый за прототип (патент РФ №2051946, С09К 7/02, 1996.01.10). Состав относится к буровым растворам на водной основе для бурения скважин на нефть и газ. Улучшение технологических свойств и повышение термостойкости раствора достигается тем, что безглинистый буровой раствор содержит, мас.%: органический стабилизатор КМЦ или гипан 0,8-1,8, каустическую соду 0,5-3,5, воду и минеральную добавку - оксид цинка 10-55. Недостатком указанного изобретения является низкое охлаждение бурового инструмента, вызывающее его повышенный износ.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности охлаждения бурового инструмента и, за счет этого, снижение его износа.
Технический результат достигается тем, что буровой раствор на водной основе, содержащий воду, КМЦ, дополнительно содержит в качестве пеногасителя полимер, в качестве поглотителя тепла - Глауберову соль - мирабилит, в качестве вещества, вызывающего кольматацию, - горчичный порошок при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| КМЦ | 5-7 |
| Полимер | 0,8-1 |
| Глауберова соль - мирабилит | 20-30 |
| Горчичный порошок | 3-5 |
| Вода | Остальное |
Применение предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом позволяет повысить эффективность охлаждения бурового инструмента и, за счет этого, уменьшить его износ.
Буровой раствор приготавливают следующим образом. В воду при постоянном перемешивании добавляют ингредиенты при следующем соотношении компонентов, мас.%: КМЦ 5-7, полимер 0,8-1, Глауберову соль (мирабилит) 20-30, горчичный порошок 3-5.
Далее приготовленный буровой раствор подают по трубам в буримую скважину с помощью циркуляционной системы. Необходимое количество Глауберовой соли (мирабилита) и других компонентов бурового раствора принимают исходя из имеющихся горно-геологических условий бурения. На забой скважины полученный буровой раствор подается по буровым трубам, в процессе бурения выдавливается по зазору между стенкой скважины и бурильными трубами. На поверхности возможно очищение загрязненного бурового раствора и, после чего, его снова через циркуляционную систему подают в буримую скважину.
КМЦ, обладающий свойствами, приведенными в табл.1, используют в качестве стабилизатора смеси, составляющей буровой раствор, причем добавляют в количестве 5-7 мас.% из условия обеспечения необходимой стабильности бурового раствора. При добавлении менее 5 мас.% предлагаемый буровой раствор получится неоднородным. При добавлении более 7 мас.% предлагаемый буровой раствор не будет обладать необходимыми текучими свойствами. КМЦ может быть использован по ТУ 6-55-40-90, ТУ 6-55-221-1311-93, свойства которого приведены в таблице 1.
| Таблица 1 Свойства КМЦ (75/400ТУ 6-55-40-90, Торос-2ТУ 6-55-221-1311-93) | ||
| Свойства вещества | 75/400ТУ 6-55-40-90 | Торос-2ТУ 6-55-221-1311-93 |
| Текстура | Порошкообразный или волокнистый материал от белого до кремового цвета | |
| Массовая доля основного вещества, %, не менее | 45 | 48 |
| Массовая доля воды, %, не более | 15 | 12 |
| Степень полимеризации, не менее | 400 | 550-720 |
| Степень замещения по карбоксиметильным группам, в пределах | 65-85 | 75-85 |
| Массовая доля алюминия в абсолютно сухом техническом продукте, %, в пределах | - | 0,04-0,5 |
| Растворимость в водном растворе едкого натра с массовой долей 3, не менее | 98 | 98 |
| Массовая доля минерального или растительного масла, %, не менее | - | 0,3 |
| Массовая доля крахмала, %, в пределах | - | 0,3-5,0 |
| Гарантийный срок хранения со дня изготовления, год | Не ограничен |
Полимер добавляют в количестве 0,8-1 мас.% для предотвращения образования пенной составляющей раствора. Верхний предел и нижний пределы выбраны из условия рационального и экономического использования полимера для предотвращения вспенивания предлагаемого бурового раствора. При добавлении полимера менее 0,8 мас.% будет наблюдаться пенная составляющая у предлагаемого бурового раствора. Добавление полимера более 1 мас.% в предлагаемый буровой раствор является нерациональным.
В качестве полимера используют, например, полиэтилен, полиметилсилоксан (ПМС), «Комета-метеор» - акриловый полимер с молекулярной массой 30-80 тысяч.
Горчичный порошок, обладающий свойствами, приведенными в табл.2, используют как вещество, обладающее высокой кольматирующей способностью для заполнения возможных трещин в горных породах, предохраняя тем самым потери бурового раствора в скважине. Рекомендованное количество горчичного порошка в интервале 3-5 мас.% принято из условия обеспечения наиболее эффективной кольматирующей способности предлагаемого бурового раствора. Верхний предел и нижний пределы выбраны из условия рационального и экономичного использования горчичного порошка для достижения необходимой кольматирующей способности предлагаемого бурового раствора. При добавлении горчичного порошка менее 3 мас.% предлагаемый буровой раствор будет обладать недостаточной кольматирующей способностью. При добавлении горчичного порошка более 5 мас.% предлагаемый буровой раствор будет неоднородным. Горчичный порошок может использоваться по ТУ 10 РФ 10-034-96 свойства, которого приведены в таблице 2.
| Таблица 2 Свойства горчичного порошка (ТУ 10 РФ 10-034-96) | |
| Основные свойства | ТУ 10 РФ 10-034-96 |
| Цвет | Желтый |
| Текстура | Равномерно измельченный |
| Химический состав | |
| Масличность, % | 12-14 |
| Влажность | 7,0-7,6 max |
| Содержание золы, не более | 6,6 |
| Аллилизотионат | 1,1-1,3 |
| Микробиологическая чистота | |
| Общее количество бактерий | 1×103 |
| Сальмонелла | Отсутствует |
| БГКП | Отсутствует |
Вода используется как основа предлагаемого раствора. Глауберову соль (мирабилит) используют в буровом растворе в качестве поглотителя тепла, причем добавляют в количестве 20-30 мас.%. Верхний предел добавления Глауберовой соли (мирабилита), равный 30 мас.% принимают из условия растворимости в воде. Нижний предел добавления Глауберовой соли (мирабилита), равный 20 мас.% принят из условия отсутствия повышения эффективности охлаждения по сравнению с прототипом.
Глауберова соль (мирабилит) выбрана, потому что обладает свойствами, позволяющими достигнуть технического результата. Применение не абразивной в растворенном виде Глауберовой соли (мирабилита), обладающей следующими термодинамическими свойствами: удельная теплоемкость - 30,5 кал/моль-град; температура плавления -890°С; удельная теплота плавления - 5,8 ккал/моль; энтропия - 35,73 кал/моль·град, является наиболее целесообразным. За счет того, что Глауберова соль обладает высокой удельной теплоемкостью и хорошей теплопроводностью, она будет интенсивно поглощать выделяющееся при бурении тепло, отводить его от забоя скважины. Это позволит снизить износ бурового инструмента и повысить эффективность охлаждения за счет снижения термических нагрузок на него. Распространенность и большие запасы Глауберовой соли (мирабилита) позволяют судить о возможности ее промышленной добычи и использования в приготовлении бурового раствора.
| Состав | Глауберова соль | КМЦ | Горчичный порошок | Полимер | Вода | Эффективность охлаждения по сравнению с прототипом |
| 1-й состав | 15 | 3 | 2 | 0,6 | 79,4 | 1 |
| 2-й состав | 20 | 5 | 3 | 0,86 | 71,14 | 1,5 |
| 3-й состав | 25 | 6 | 4 | 0,95 | 64,05 | 2,5 |
| 4-й состав | 30 | 7 | 5 | 1 | 57 | 3 |
| 5-й состав | 35 | 8 | 6 | 1,2 | 49,8 | 3,5 |
| Прототип | 1 |
Использование предлагаемого бурового раствора обеспечивает следующие преимущества:
- повышение эффективности охлаждения бурового инструмента;
- повышение износостойкости бурового инструмента;
- повышение скорости бурения и снижение его себестоимости.
Буровой раствор на водной основе, содержащий воду, карбоксиметилцеллюлозу КМЦ, отличающийся тем, что он дополнительно содержит в качестве пеногасителя полимер, в качестве поглотителя тепла - Глауберову соль - мирабилит, в качестве вещества, вызывающего кольматацию, - горчичный порошок при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| КМЦ | 5-7 |
| Полимер | 0,8-1 |
| Глауберова соль - мирабилит | 20-30 |
| Горчичный Порошок | 3-5 |
| Вода | Остальное |
