Способ увеличения смазочной способности скважинных флюидов
Изобретение относится к добыче нефти и газа. Технический результат - увеличение смазывающей способности и уменьшение колебания коэффициента трения скважинных флюидов для нефти и газа. Способ повышения смазывающей способности скважинного флюида, который является буровым флюидом, флюидом для заканчивания скважины или флюидом для колтюбинга, включает следующие стадии: получение микроэмульсии воды в масле, которая содержит нерастворимые наночастицы гидроксида цинка размером от 1 до 40 нм во внутренней водной фазе, причем указанные нерастворимые частицы синтезируют из их солевых прекурсоров в водяных каплях микроэмульсии; добавление к скважинному флюиду микроэмульсии воды в масле; закачку скважинного флюида в подземный пласт месторождения и выполнение операций бурения, заканчивания или колтюбинга в подземном пласте. 5 з.п. ф-лы, 2 ил., 3 табл., 8 пр.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к способу увеличения смазывающей способности и к уменьшению колебания коэффициента трения скважинных флюидов для нефти и газа путем добавления к флюидам микроэмульсии, которая содержит нерастворимые частицы гидроксидов металлов и/или оксидов металлов во внутренней водной фазе. Скважинные флюиды, смазочные способности которых улучшены способом по настоящему изобретению, являются, в частности, буровыми флюидами, флюидами для заканчивания скважины и флюидами для колтюбинга.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Нефтяные и газовые скважинные флюиды (скважинные флюиды) являются флюидами, которые используются в скважине во время операций, выполняемых с целью разведки или добычи газа или нефти из подземных пластов месторождения.
Буровые флюиды, которые также называются буровыми растворами, представляют собой сложные смеси химических веществ, используемых при бурении для добычи углеводородов и природного газа из подземных пластов.
Буровые флюиды закачиваются в бурильную колонну и выходят из буровой головки через отверстия. Буровые флюиды возвращаются к поверхности через кольцевое пространство между внешней стороной бурильной колонны и стенкой ствола скважины.
Буровые флюиды выполняют ряд функций. Примеры этих функций представляют собой перенос обломков выбуренной породы на поверхность и их поддерживание, когда циркуляция флюида прекращается; создание фильтровальной корки на стенках ствола скважины для снижения проницаемости; охлаждение и смазка буровой головки; создание гидростатического давления во избежание неконтролируемых выбросов и для поддержания веса стенок ствола скважины; и действие в качестве смазки между буровой головкой, бурильной колонной и стенками ствола скважины. В общем, использование только буровых флюидов недостаточно для существенного снижения трения, особенно если рассматриваются горизонтальные и сильно искривленные скважины. Таким образом, в целом, подходящая смазывающая присадка должна быть добавлена к буровому флюиду.
Буровые флюиды могут быть типа на водной основе или типа на основе масла.
Буровые флюиды на водной основе являются экологически более безопасными и менее дорогостоящими по сравнению с флюидами на масляной основе, но последние обычно демонстрирует лучшие смазочные свойства. В обоих случаях, однако, смазочные добавки регулярно используются.
В конце операций бурения буровой раствор обычно заменяется флюидом для заканчивания скважины (CF). CF являются флюидами, занятыми в операциях заканчивания, т.е. в целой серии действий/процессов, необходимых для создания скважины, готовой к отдаче. CF может содержать рассолы, не содержащие нерастворенных твердых веществ (на основе хлоридов, бромидов и формиатов), а также любой флюид с надлежащими характеристиками плотности и потока, химически совместимый с пластом месторождения.
CF обычно требуют надежной и эффективной смазки для снижения крутящего момента и захватывания вследствие сил трения в скважине, что может вызвать прилипание внутрискваженной системы труб и катушек.
В операциях в стволе скважины первостепенное значение также имеет смазка для колтюбинга (CT). CT обычно относится к длинным металлическим трубам, свернутым на большом барабане. CТ может использоваться, например, для вмешательства в газовые и нефтяные скважины, а также в эксплуатационную насосно-компрессорную колонну в истощенных газовых скважинах. CT, таким образом, может быть использован для операций аналогичных укладке кабеля, где он предлагает ряд преимуществ. В том числе, катушка может быть вдавлена в отверстие (вместо того, чтобы полагаться на гравитацию), и химикаты могут быть закачаны через катушку.
Флюиды для колтюбинга (CTF) используются для расположения гибких насосно-компрессорные труб и также требуют добавления эффективных смазочных материалов.
Было описано много смазочных материалов для применения в скважинных флюидах, включая твердые частицы, такие как пластиковые или стеклянные шарики, наночастицы и графит, или жидкости, такие как масла, синтетические флюиды, гликоли, модифицированные растительные масла, мыла жирных кислот и поверхностно-активные вещества.
В качестве примера патент США 5618780 относится к оптимизированному смазочному составу, включающему, в полезных объемах, сложный эфир и жирную кислоту.
В патенте США 8071510 описывается смазка на основе водорастворимой или вододиспергируемой соли сульфированного (сульфатированного) растительного масла или его производного, такого как сульфированное (сульфатированное) касторовое масло.
В патенте США 8148305 описано использование олигоглицериновых сложных эфиров жирных кислот в качестве добавок в составы буровых растворов на водной основе для улучшения смазывающего действия этих систем.
Микроэмульсии масел и жирных эфиров, которые являются типичными ингредиентами смазочных материалов, хорошо известны и описаны в патентной литературе в качестве вспомогательных веществ для фармацевтических областей применения (например, в патентах США 6451325 и US 6299884), для агрохимических областей применения (в качестве примера, в патенте США 8282950), а также для использования в нефтяной промышленности (например, в патентах США 2013/0261033 и 7902123).
В настоящее время установлено, что микроэмульсии воды в масле, содержащие нерастворимые частицы гидроксидов металлов и/или оксидов металлов во внутренней водной фазе, являются очень эффективными в увеличении смазывающей способности скважинных флюидов, что уменьшает коэффициент трения бурения, заканчивания скважин и колтюбинга без существенного изменения реологии бурового раствора. Микроэмульсии особенно эффективны, когда нерастворимые частицы гидроксидов металлов и оксидов металлов были синтезированы из их соляных прекурсоров в каплях воды микроэмульсии и имели нано размеры, т.е. имели размер от 1 нм до 100 нм; фактически, было замечено, что наночастицы, которые были синтезированы в микроэмульсии, демонстрируют удивительно более высокий смазывающий эффект в скважинных флюидах.
Уже известно использование наночастиц в качестве смазывающих присадок в скважинных флюидах.
IADC/SPE 161899 сообщает, что смазочный материал, содержащий наноразмерные твердые частицы, использовался в буровых флюидах в нефтяном месторождении Daqing.
CA 2586832 раскрывает смазку буровой головки, которая содержит 0,1-10 мас.% наноматериала.
CN 1699500 сообщает, что добавление предварительно подготовленных наночастиц к эмульсионным смазочным материалам для буровых флюидов повышает их стабильность.
В WO 2013/116921 смазочная присадка для буровых флюидов основана на наночастицах, которые получают на месте в буровом флюиде или отдельно путем смешивания с высоким сдвигом двух водных растворов, содержащих прекурсоры наночастиц.
Тем не менее, насколько известно заявителю, никогда не сообщалось о применении микроэмульсий, содержащих нерастворимые частицы гидроксидов металлов и/или оксидов металлов в диспергированной (или внутренней) водной фазе, для повышения смазывающей способности буровых флюидов или флюидов для заканчивания скважин.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения является способ увеличения смазывающей способности скважинного флюида, который представляет собой буровой флюид, флюид для заканчивания скважины или флюид для колтюбинга, включающий следующие стадии: i) получение микроэмульсии воды в масле, которая содержит нерастворимые частицы гидроксидов металлов и/или оксидов металлов во внутренней водной фазе; ii) добавление к скважинному флюиду микроэмульсии воды в масле; iii) закачка скважинного флюида в подземный пласт месторождения и iv) выполнение операций бурения, заканчивания или колтюбинга в подземном пласте месторождения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР
На фиг.1 показано сравнение распределения коэффициента трения (CoF) в случае (i) флюида на водной основе с использованием микроэмульсии в соответствии с настоящим изобретением, (ii) того же флюида на водной основе, содержащей коммерческую смазку, и (iii) такого же флюида на водной основе без какой-либо смазывающей присадки.
На фиг.2 показаны колебания во времени CoF флюида на водной основе, содержащего микроэмульсию по настоящему изобретению, по сравнению с тем же флюидом, содержащим смазку, имеющуюся в продаже.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ по настоящему изобретению включает в себя использование микроэмульсии.
Микроэмульсии можно разделить на две основные категории: микроэмульсии воды в масле (wo), в которой дисперсная фаза (или внутренняя фаза) является водной, и микроэмульсии масла в воде (ow), в которых дисперсная фаза является маслянистой.
Способ по изобретению включает использование (wo) микроэмульсии жидкой воды в масле.
Одно из наиболее существенных различий между нормальными эмульсиями и микроэмульсиями зависит от размера внутренних или диспергированных капелек или мицелл.
Нормальные эмульсии, также называемые макроэмульсиями, обычно разрабатываются с использованием трех основных ингредиентов: i. полярного растворителя (например, воды), ii. неполярного растворителя (например, масла) и iii. ПАВ или твердых частиц; они имеют мутный вид и обычно проявляют ограниченную стабильность.
Напротив, микроэмульсии формулируются в весьма специфических обстоятельствах, для которых обычно требуется дополнительная переменная для точной настройки оптимальных условий, то есть добавления вспомогательных поверхностно-активных веществ и/или солей, как это описано, например, у Prince L.M. в работе Microemulsions Theory and Practice, Academic Press 1977, стр. 192, и в работе Langevin D., Microemulsions, Account of Chemical Research, 21 (7), 255-260, 1988.
В общем, их типичные размеры капель меньше, чем самая короткая длина волны видимого света (380 нм) или немного больше, и, как следствие, правильно образованные жидкие микроэмульсии обычно приводят к оптически прозрачной или полупрозрачной системе, даже без значительного приложения механической энергии во время приготовления (перемешивание может быть очень медленным).
Кроме того, как сообщалось у L.M. Prince, там же, стр. 4, жидкие микроэмульсии не разделяются в лабораторной центрифуге при вращении в течение пяти минут при 100 G.
Соответственно, способ раскрытия включает использование жидких микроэмульсий, которые содержат водную фазу, маслянистую фазу и, по меньшей мере, одно поверхностно-активное вещество, являются прозрачными или полупрозрачными и стабильными; микроэмульсии согласно настоящему изобретению, таким образом, демонстрируют устойчивость к значительным тепловым и механическим воздействиям.
Под «стабильной» микроэмульсией мы имеем в виду микроэмульсию, которые не разделяется при вращении в лабораторной центрифуге в течение пяти минут при 100 G.
Под «прозрачной» или «полупрозрачный» микроэмульсией мы подразумеваем микроэмульсии, чьи размеры капли составляют менее 500 нм.
Под «прозрачной» микроэмульсией мы подразумеваем микроэмульсию, чьи размеры капли составляют менее 380 нм.
Микроэмульсии, которые используются в способе раскрытия, предпочтительно являются прозрачными.
Размер мицелл (или капелек) микроэмульсий, а также их распределение по размерам могут быть определены с использованием нескольких методов спектроскопии и рассеяния (например, лазерной дифракции и малоуглового рассеяния рентгеновских лучей).
Обычно wo микроэмульсия на стадии i) содержит от 2 до 20 мас.% водной фазы, от 5 до 40 мас.% поверхностно-активных веществ, от 0 до 20 мас.% вспомогательных поверхностно-активных веществ и от 40 до 90 мас.%, маслянистой фазы; предпочтительно, wo микроэмульсия содержит от 4 до 10 мас.% водной фазы, от 20 до 35 мас.% поверхностно-активных веществ, от 6 до 15 мас.% вспомогательных поверхностно-активных веществ и от 40 до 70 мас.% маслянистой фазы.
Существенной особенностью микроэмульсий согласно способу по настоящему изобретению, является наличие в их внутренней водной фазе водонерастворимых частиц гидроксидов и/или оксидов металлов, причем каждая частица меньше, чем содержащая ее водная капля.
В предпочтительном варианте способа осуществления настоящего изобретения нерастворимые частицы гидроксидов металлов и/или оксидов металлов являются нерастворимыми частицами гидроксидов цинка, марганца или магния и/или оксидов или их смеси.
Было обнаружено, что эти нерастворимые частицы гидроксидов и/или оксидов металлов являются эффективными для значительного улучшения смазывающих свойств скважинных флюидов даже при малых концентрациях, которые могут быть получены путем их приготовления из прекурсоров их соли непосредственно во внутренней фазе wo микроэмульсии.
Еще одним преимуществом получения нерастворимых частиц гидроксидов металлов и/или оксидов из прекурсора их солей непосредственно во внутренней фазе микроэмульсии является тот факт, что их получение не требует применения смешивания с большим усилием сдвига, обычно необходимого для получения макроэмульсии. Таким образом, наночастицы образуются непосредственно из раствора их прекурсоров в микроэмульсиях.
Водная фаза микроэмульсии может содержать, помимо воды и нерастворимых частиц гидроксидов и/или оксидов металлов, другие добавки: депрессанты точки замерзания, такие как водорастворимые гликоли, простые гликолевые эфиры или полиолы (например, глицерин, этиленгликоль, пропиленгликоль); модификаторы реологии, такие как водорастворимые синтетические, полусинтетические или натуральные полимеры (например, ксантановая камедь, полиакрилатные загустители); водорастворимые соли (например, ацетат натрия, хлорид натрия).
Маслянистая фаза в основном состоит из любого не смешивающегося с водой флюида (масла), пригодного для использования в эмульсиях, который представляет собой, по меньшей мере, 90 мас.% маслянистой фазы. Масло может происходить из природного или синтетического источника. Примеры подходящих масел включают, без ограничения, растительные масла, дизельные масла, парафиновые масла, минеральные масла, минеральные масла с низкой токсичностью, олефины, сложные эфиры, синтетические масла, такие как полиолефины, простые эфиры, ацетали, диалкилкарбонаты, углеводороды и их комбинации.
Предпочтительными маслами являются парафиновые масла, минеральные масла с низкой токсичностью, минеральные масла, растительные масла, полиолефины, олефины, сложные эфиры и их смеси.
Факторы, определяющие выбор масла(ел) включают, но не ограничиваются ими: а) стоимость, b) гидрофильно-липофильный баланс (HLB), c) экологическую совместимость, d) токсикологический профиль и e) доступность.
Маслянистая фаза может также содержать маслорастворимый модификатор реологии (например, стирол-бутадиен-пропиленовые сополимеры, органоглины, полиакрилаты).
Поверхностно-активные вещества, используемые для настоящего изобретения, выбирают среди тех, которые обычно доступны на рынке. Примерами используемых поверхностно-активных веществ являются сложные эфиры сорбитана (например, сорбитанмонолаурат, сорбитанмонопальмитат, моностеарат сорбита, моноолеат сорбита, триолеат сорбитана), этоксилированные сложные эфиры сорбитана (например, сорбитанмонолаурат 20 EO (т.е. этоксилированный 20 молями этиленоксида), сорбитанмонолаурат 4 EO, сорбитанмонопальмитат 20 EO, сорбитанмоностеарат 20 EO, сорбитанмоноолеат 20 EO, сорбитанмоноолеат 5 EO, сорбитантриолеат 20 ЭО), кокодиэтаноламид, этоксилированные и/или пропоксилированные нонилфенолы, этоксилированные октилфенолы, этоксилированные трибутилфенолы, этоксилированные фенолы, этоксилированные жирные спирты, cложные эфиры фосфатов, алкилэтоксицитраты, этоксилированный кокомоноэтаноламид, этоксилированные жирные амины, жирные сложные эфиры, этоксилированные касторовые масла, гидрогенизированные касторовые масла, полиалкиленгликоли, сульфатированные касторовые масла, сульфосукцинаты (натриевая соль ди-октилсульфосукцината, натриевая соль диизодецилсульфосукцината, натриевая cоль алкилэфир сульфосукцинатов, натриевая соль алкиларилэфир сульфосукцинатов), жирные спиртовые сульфаты, жирные спиртовые этоксисульфаты, полиамиды жирных кислот, додецилбензолсульфонаты, алкилбензолсульфонаты, метилнафталинсульфонаты, этоксилированные дистирилфенолы, этоксилированный тристирилфенол, алкоксилированные жирные спирты и алкоксилированные нонилфенолы и их смеси.
Одно или несколько поверхностно-активных веществ могут содержаться в микроэмульсии.
Предпочтительно, поверхностно-активное вещество или смесь поверхностно-активных веществ имеет HLB в диапазоне от 6 до 20; наиболее предпочтительно, HLB в этом диапазоне получают с использованием, по меньшей мере, одного поверхностно-активного вещества с HLB в интервале от 10 до 17 и, по меньшей мере, одного поверхностно-активного вещества с HLB в диапазоне от 1,8 до 6.
Вспомогательное поверхностно-активное вещество представляет собой химическое вещество (например, опционально, этоксилированный спирт или амин с короткой, средней или длинной цепью, или неионогенные химические вещества с низким HLB), которые при связывании с поверхностно-активными веществами способствуют стабилизации межфазного слоя.
Вспомогательное поверхностно-активное вещество должно демонстрировать хорошую совместимость с другими химическими веществами, образующими систему, как это хорошо известно в данной области техники.
Типичные вспомогательные поверхностно-активные вещества, которые могут быть использованы для получения микроэмульсий по настоящему изобретению, представляют собой линейные или разветвленные, насыщенные или ненасыщенные первичные спирты (например, изобутанол, изоамиловый спирт, 2-метил-1-бутанол, олеиловый спирт, 9-деценол), фенилпропанол, фенетиловый спирт, триптофол, стеариновую кислоту, их смесь.
Как упомянуто выше, в способе настоящего изобретения wo микроэмульсия, которая добавляется к скважинным флюидам, содержит нерастворимые в воде частицы гидроксидов металлов и/или оксидов металлов во внутренней фазе.
Эти микроэмульсии могут быть получены способом, который включает в себя синтез гидроксидов металлов и/или оксидов металлов из их прекурсоров солей в каплях воды микроэмульсии, которую получают с использованием молярного соотношения вода-поверхностно-активное вещество от 4:1 до 34:1.
Этот способ получения wo микроэмульсий, содержащих нерастворимые в воде частицы гидроксидов или оксидов металлов в их внутренней водной фазе, является способом, который хорошо известным в литературе и обычно дает нерастворимые в воде частицы размером от 1 до 100 нм (наночастицы).
Обзор эволюции этой технологии можно найти у M.A. Lopez-Quintela, в Current Opinion in Colloid & Interface Science, 8 (2003), стр.137-144 и у I. Capek, в работе Advances in Colloid and Interface Sciences, 110 (2004), стр. 49-74.
В соответствии с первым и предпочтительным вариантом способа осуществления настоящего изобретения, получение микроэмульсии включает следующие стадии: A) получают первую промежуточную микроэмульсию воды в масле путем добавления водного раствора соли металла к смеси поверхностно-активного вещества, масла и опционального вспомогательного поверхностно-активного вещества при перемешивании; В) вторую промежуточную микроэмульсию воды в масле получают путем добавления водного раствора основания к смеси поверхностно-активного вещества, масла и опционального вспомогательного поверхностно-активного вещества при перемешивании; С) первую и вторую промежуточные микроэмульсии смешивают вместе с образованием микроэмульсии воды в масле, которая используется в способе по настоящему изобретению.
Согласно второму варианту способа осуществления настоящего изобретения, получение микроэмульсии включает следующие стадии: A') получают промежуточную микроэмульсию воды в масле путем добавления водного раствора соли металла к смеси поверхностно-активного вещества, масла и опционального вспомогательного поверхностно-активного вещества при перемешивании; B') добавляют водный раствор основания и перемешивают его с промежуточной микроэмульсией с получением микроэмульсии воды в масле, которая используется в способе по настоящему изобретению.
Согласно третьему варианту способа осуществления настоящего изобретения осуществления, получение микроэмульсии включает следующие стадии: A") получают промежуточную микроэмульсию воды в масле путем добавления водного раствора основания к смеси поверхностно-активного вещества, масла и опционального вспомогательного поверхностно-активного вещества при перемешивании; B") добавляют водный раствор соли металла и перемешивают с промежуточной микроэмульсией с получением конечной микроэмульсии воды в масле, которая используется в способе по настоящему изобретению.
Стадии приготовления микроэмульсии воды в масле могут быть проведены между 5 и 50°C, в зависимости от химических веществ, участвующих в приготовлении.
Можно использовать несколько солей металлов, которые при взаимодействии с основанием образуют водонерастворимые гидроксиды и/или оксиды металлов: хлорид цинка, нитрат цинка, ацетат цинка, йодид цинка, бромид цинка, сульфат цинка, хлорид марганца, нитрат марганца, ацетат марганца, бромид марганца, сульфат марганца, иодид марганца, хлорид магния, ацетат магния и тому подобное. Предпочтительно используемыми солями металлов являются хлорид цинка, нитрат цинка, ацетат цинка.
Предпочтительно, основание, которое используют на стадиях В), В') и А') получения микроэмульсий, представляет собой гидроксид натрия, гидроксид калия и аммиак; наиболее предпочтительно, основание представляет собой гидроксид натрия или гидроксид калия.
Добавление небольшого количества кислоты в водные растворы солей металлов, которые используются при получении микроэмульсий, может быть выгодным для повышения растворимости соли металла; наиболее полезными кислотами являются хлористый водород, уксусная кислота, лимонная кислота.
Концентрация основания в водных растворах на стадиях В), В') и А'') обычно находится в диапазоне от 0,25 до 2,0 М, а также концентрация соли металла в водных растворах стадий А), А') и В") может находиться в диапазоне от 0,25 до 2,5 М.
Предпочтительно, при получении микроэмульсии используют незначительное отклонение концентрации основания относительно соли (обычно 75-90 эквивалентов основания на 100 эквивалентов соли металла) и используют примерно такой же объем водных растворов основания и соли металла.
Концентрация нерастворимых в воде частиц гидроксида и/или оксида металла в водной фазе микроэмульсии обычно составляет от 0,2 до 2,0 М.
В соответствии с особенно предпочтительным вариантом способа осуществления настоящего изобретения, нерастворимые в воде частицы представляют собой наночастицы гидроксида цинка, оксида цинка или их смеси.
Наиболее предпочтительно, они представляют собой наночастицы гидроксида цинка, которые получают в избытке соли цинка, и которые имеют размер частиц от 1 до 40 нм, предпочтительно от 5 до 40 нм, что определяется с помощью малоуглового рассеяния рентгеновских лучей; эти наночастицы обеспечивают наилучшие результаты с точки зрения повышения смазывающей способности, сохранения смазывающей способности и ослабления колебаний коэффициента трения во времени.
В соответствии с особым вариантом способа осуществления настоящего изобретения настоящего изобретения перед добавлением в скважинный флюид на стадии ii) микроэмульсия воды в масле может быть разбавлена водой с образованием микроэмульсии воды в масле в воде (w-o-w) или микроэмульсии разбавленной воды в масле.
Разбавляющая вода может содержать депрессанты точки замерзания и модификаторы реологии, которые могут использоваться в водной фазе микроэмульсии, и она содержит органические или неорганические соли для уравновешивания ионной силы водной фазы микроэмульсии.
Микроэмульсия w-o-w и микроэмульсия с разбавленной водой в масле могут содержать до 70 мас.% водной фазы (фаз).
Высокая совместимость w-o-w и разбавленной микроэмульсии с депрессантами точки замерзания, такими как гликоли, гликолевые эфиры и глицерин и соли, направлена на снижение точки замерзания смазки (то есть, улучшает температуру застывания продукта), так что при добавлении соли, точка замерзания подчиняется закону Благдена. В зависимости от масляной фазы и концентрации депрессанта точки замерзания в водной фазе можно снизить температуру замерзания исходной микроэмульсии более чем на 10°C.
Буровые флюиды, которые могут использоваться в способе согласно настоящему изобретению, могут быть буровыми флюидами на водной основе (т.е. буровым флюидом, в котором вода находится в непрерывной фазе прямой эмульсии, раствора или дисперсии) или буровыми растворами на нефтяной основе (т.е. буровым флюидом, в которой вода находится во внутренней фазе обратной эмульсии); предпочтительно буровые флюиды представляют собой буровые флюиды на водной основе и более предпочтительно - буровые флюиды на водной основе, в которых вода находится в сплошной фазе раствора или дисперсии.
Буровые флюиды могут быть составлены при помощи рассолов.
Полезные соли для приготовления рассолов включают в себя, но не ограничиваются ими, натриевые, кальциевые, алюминиевые, магниевые, стронциевые, калиевые и литиевые соли хлоридов, карбонатов, бромидов, йодидов, хлоратов, броматов, нитратов, формиатов, фосфатов, сульфатов.
Рассол также может состоять из морской воды.
Плотность бурового раствора, как правило, регулируется увеличением концентрации соли в рассоле и/или добавлением определенных утяжеляющих реагентов.
Подходящими утяжеляющими реагентами являются барит, сидерит, галенит, доломит, ильменит, гематит, оксиды железа, карбонаты кальция и тому подобное.
Буровые флюиды обычно также содержат модификаторы реологии.
Пригодными модификаторами реологии являются гелеобразующие реагенты и загустители, такие как природные полимеры или их производные, биополимеры, высокомолекулярные синтетические полимеры и тому подобное.
Другие обычные присадки, которые могут содержаться в буровом флюиде представляют собой понизители потери фильтрата (например, крахмал, крахмал модифицированный, полианионная целлюлоза), разжижающие вещества и диспергирующие вещества (например, лигнинсульфонаты, дубильные вещества, полиакрилаты и т.п.).
Флюид для заканчивания скважины и флюид для колтюбинга могут быть такими же, как и буровой флюид, или они могут быть разными. Предпочтительно они содержат, по меньшей мере, 20 мас.% воды и более предпочтительно, по меньшей мере, 50 мас.% воды. В способе по настоящему изобретению может быть использована любой флюид для заканчивания скважины или колтюбинга, пригодный для использования в операции заканчивания или колтюбинга. В одном варианте способа осуществления настоящего изобретения, флюид для заканчивания скважины и для колтюбинга представляет собой флюид, имеющий плотность, химический состав и характеристики потока, совместимые с пластом месторождения, в который он вводится.
Способ по настоящему изобретению наряду с повышением смазывающей способности буровых флюидов, флюидов для заканчивания скважин и флюидов для колтюбинга сохраняет смазывающую способность в операционной системе ствола скважины в течение значительного периода времени после замены указанных флюидов несмазывающими флюидами (т.е. флюидами, которые не содержат смазки), несмотря на экстремальные условия, которые возникают при эксплуатации нефтяных и газовых скважин.
Кроме того, этот метод очень эффективно предотвращает возникновение неравномерного вращения между скользящими смазанными твердыми поверхностями и обеспечивает: i) низкое значение для CoF и ii) узкое распределение вероятностей коэффициента трения (CoF), то есть малую полную ширину при половинном максимуме распределения CoF. Последнее требование является ценным для определения надежности смазки во времени и для снижения напряжения на двигателе, приводящем в действие бурильную трубу.
Колебания CoF в течение времени могут быть обусловлены присутствием твердых частиц в буровом растворе и/или они могут быть следствием явления неравномерного вращения. Удивительно, но мы обнаружили, что способ по настоящему открытию полезен для уменьшения таких колебаний.
ПРИМЕРЫ
В следующих примерах используются следующие химические вещества:
Sorbirol O=сорбитана моноолеат, Lamberti SpA, IT;
Sorbilene O=полиоксиэтилен (20) сорбитана моноолеат, Lamberti SpA, IT;
Полиамидный эмульгатор=эмульгатор из жирных кислот таллового масла, полиэтиленполиаминов и малеинового ангидрида (CAS № 68990-47-6), Lamberti SpA, IT;
Imbirol OT/NA/70=диоктилсульфосукцинат натрия, Lamberti SpA, IT;
Sorbilene L=полиоксиэтилена (20) сорбитана монолаурат, Lamberti SpA, IT;
Rolamid CD=N-бис(2-гидроксиэтил)кокоамид, Lamberti SpA, IT;
Sorbilene ТO=полиоксиэтилен (20) сорбитана триолеат Lamberti SpA, IT;
Rolfor 1012/490=полиоксиэтилена (5) C10-C12 линейный спирт, Lamberti SpA, IT
Emulson AG/18C=этоксилированное касторовое масло, диолеат, Lamberti SpA, IT
Emulam PE=первичный эмульгатор, Lamberti SpA, IT
Emulam SE=вторичный эмульгатор, Lamberti SpA, IT
Emulam V Plus=органоглина, Lamberti США, США
TBL=имеющаяся в продаже смазка на основе соевого масла и полиоксиэтилена (15) линейного спирта C12-C14
Lampac EXLO=полианионная целлюлоза, Lamberti SpA, IT
В примерах мас./мас. означает по весу.
Пример 1. Приготавливают раствор, далее называемый смесью поверхностно-активных веществ (SM), Sorbirol O (42% мас./мас.) и Sorbilene O (58% мас./мас.). SM добавляют к малотоксичному минеральному маслу (LTMO) и перемешивают в течение пятнадцати минут. Результирующая система, далее S1, состоит из 33,4% мас./мас. SM и 66,6% мас./мас. LTMO. Получают водный раствор, далее А1, содержащий 4% мас./мас. хлорида цинка и 0,15% мас./мас. раствора 30% мас./мас. хлористого водорода. Приготавливают водный раствор, далее A2, содержащий 2,6% мас./мас. гидроксида натрия. Одну партию, содержащую S1, выдерживают при комнатной температуре и перемешивают, в то время как 5,6% мас./мас. А1 добавляют очень медленно. Аналогично готовят еще одну партию S1, выдерживают при комнатной температуре, перемешивают при добавлении 2,3% мас./мас. полиамидного эмульгатора. Через десять минут медленно добавляют 5,3% мас./мас. А2. Партии, подготовленные, как указано выше, становятся прозрачными. Затем их перемешивают при комнатной температуре в течение одного часа. Конечный прозрачный продукт обозначается как EX1.
Пример 2. 23% мас./мас. Imbirol OT/NA/70 и 2% мас./мас. Sorbilene L добавляют к смеси минерального масла низкой токсичности и альфа-олефинов и перемешивают в течение пяти минут. Получающаяся прозрачная система называется S2. Готовится водный раствор, далее A3, содержащий 6% мас./вес глицерина, 5% мас./мас. хлорида цинка, 1,5% мас./вес хлорида марганца и 0,35% мас./вес раствора 30% мас./мас. хлористого водорода. Приготавливают водный раствор, далее А4, содержащий 3% мас./мас. гидроксида натрия. Одну партию, содержащую S2, выдерживают при 20°С и перемешивают, и медленно добавляют 16% мас./мас. A3. Аналогично готовят еще одну партию S2, выдерживают при комнатной температуре, перемешивают, добавляя 1,2% мас./мас. Rolamid CD; через десять минут медленно добавляют 16% мас./мас. А4. Партии, подготовленные, как указано выше, становятся прозрачными. Затем их перемешивают при 10°С в течение трех часов. Конечный прозрачный продукт называется EX2.
Пример 3. Приготавливают раствор, далее называемый смесью поверхностно-активных веществ (SM3), Sorbilene TO (86,6% мас./мас.) и Sorbirol TO (13,4% мас./вес). SM3 добавляют к смеси низкотоксичного минерального масла (LTMO) и масла канолы при перемешивании в течение двадцати минут. Полученная система, в дальнейшем S3, содержит 30,2% мас./мас. SM3 и 69,8% мас./мас. масляной смеси. 2,3% мас./мас. ROLFOR 1012/490 добавляют к S3 при перемешивании в течение десяти минут. Полученная система будет называться S3'. Получают водный раствор, далее A5, содержащий 6% мас./мас. безводного ацетата цинка и 0,4% мас./мас. 80% мас./мас. раствора уксусной кислоты. Готовят водный раствор, далее A6, содержащий 2,8% мас./мас. гидроксида натрия. Одну партию, содержащую S3', выдерживают при комнатной температуре и перемешивают, при этом медленно добавляют 7% мас. /мас. A5. Аналогично готовят еще одну порцию S3', выдерживают при комнатной температуре, перемешивают при добавлении 3,2% мас./мас. изобутилового спирта. Через 10 минут очень медленно добавляют A6 5,5% мас. /мас. Партии, подготовленные, как указано выше, становятся прозрачными. Затем их перемешивают при 10°С в течение трех часов. Конечный прозрачный продукт является EX3.
Пример 4. Получают смесь из 33% мас./мас. соевого масла, 53% мас./мас. рапсового масла и 14% мас./мас. касторового масла. Получают смесь поверхностно-активных веществ (SM4), содержащую 13,5% мас./вес Sorbirol TO, 11,5% мас./вес EMULSON AG/18C, 0,04% мас./вес Rolamid CD и 21,6% мас./вес Sorbirol O. 33% мас./вес SM4 и 3% мас./мас. длинноцепочечного спирта добавляют к масляной смеси. Получают водный раствор (А7) 4 мас.% нитрата цинка и 0,8 мас.% хлорида магния. Получают водный раствор (А8) 2,7% мас./мас. КОН. 5% мас./мас. раствора A7, хранящегося при 60°C, медленно добавляют к I1 при перемешивании. Систему, далее S4, перемешивают в течение, по меньшей мере трех часов, позволяя температуре опускаться до 20°С. Затем 5% мас./мас. A8 медленно добавляют при перемешивании в течение пяти часов, получая конечный прозрачный продукт EX4.
Пример 5. Получают систему (S5), содержащую 47 г 0,25 М водного раствора хлорида натрия, 35 г глицерина и 18 г Rolamid CD. Помешивая, 15 г EX1 добавляют к 85г S5. Полученная в результате микроэмульсия воды в масле в воде (w-o-w) будет далее упоминаться как EX5.
Пример 6. Получают систему (S6), содержащую 47 г 0,25 М водного раствора хлорида натрия, 35 г этиленгликоля и 18 г Rolamid CD. При перемешивании добавляют 15 г EX1 к 85 г S6. Полученная в результате микроэмульсия воды в масле в воде (w-o-w) будет далее упоминаться как EX6.
Сравнительный пример C1.
Получают S1 из примера 1, включающий в себя 33,4% мас./мас. SM и 66,6% мас./мас. LTMO. Одну партию, содержащую S1, выдерживают при комнатной температуре и перемешивают, в то время как 5,6% мас./мас. воды добавляют очень медленно. Окончательная прозрачная микроэмульсия будет называться EXC1.
Сравнительный пример С2.
Наночастицы гидроксида цинка, взвешенные в воде, были подготовлены путем смешивания 0,25 М водного раствора ZnCl2 и 0,5 М водного раствора NaOH, содержащего ксантановую камедь. Растворы перемешивают с высокой скоростью, чтобы получить суспензию в воде наночастиц гидроксида цинка (EXC2).
Для сравнения смазочного свойства микроэмульсий воды в масле по настоящему изобретению в скважинных флюидах применяли прибор для измерения смазывающей способности OFITE. Буровой флюид на водной основе (WBM) (удельный вес 1,5, pH 9,7), используемый для испытания, составлен следующим образом:
| WBM состав | (% мас./мас.) |
| Пресная вода | 53,53% |
| Ксантановая камедь | 0,12% |
| Lampac EXLO | 0,31% |
| кальцинированная сода | 0,15% |
| Барит | 45,89% |
Количество смазки, используемой в WBM, составляет 1,5% по отношению к содержанию воды в WBM.
Буровой флюид на основе масла (OBM), используемый для испытания, состоит из:
| OBM состав | (% мас./мас.) |
| Минеральное масло низкой токсичности | 16,92 |
| Emulam PE | 1,37 |
| Emulam SE | 0,96 |
| Известь | 2,74 |
| Органофильный лигнит | 1,64 |
| Пресная вода | 4,59 |
| CaCl2 | 2,74 |
| Emulam VPlus | 0,62 |
| Барит | 68,44 |
Количество смазки, используемой в OBM, составляет 2,0% об./об.
Эффективность смазки микроэмульсий по настоящему изобретению сравнивали с имеющейся в продаже смазкой на основе триглицеридов жирных кислот (TBL), с системой микроэмульсии, свободной от нерастворимых в воде гидроксидов металлов (EXC1), и с дисперсией, содержащей наночастицы гидроксида цинка, полученные в суспензии (EXC2).
Показания прибора для измерения смазывающей способности OFITE было собрано для каждого образца флюида после экспозиции в течение двух минут при крутящем моменте 150 дюймов⋅фунтов (17 Н⋅м). Процент уменьшения коэффициента трения (ΔCoF) вычисляется по следующей формуле, в которой FnoL является показанием OFITE без смазки, и FL является показанием OFITE со смазкой:
ΔCoF=100*(FnoL-FL)/FnoL
Результаты испытаний на WBM приводятся в таблице 1.
Таблица 1
| Смазка в WBM | ΔCoF |
| EX1 | 60 |
| EX2 | 50 |
| EXC1* | 5 |
| EXC2* | 5 |
| TBL * | 12 |
| EX5 | 28 |
| EX6 | 23 |
* для сравнения
Аналогичные значения для ΔCoF в WBM были получены с учетом коэффициента трения металл-песчаник, измеренного с использованием плоского испытательного блока из песчаника.
Результаты испытаний для ОВМ, полученные с помощью прибора для испытания смазывающей способности OFITE, приведены в таблице 2.
Таблица 2
| Смазка в OBM | ΔCoF |
| EX1 | 30 |
| TBL | 2 |
Устойчивость смазочного эффекта при замещении смазочного флюида несмазывающим флюидом (пресной водой, FW) оценивалась путем: i) регистрации показаний прибора для испытания смазывающей способности OFITE для пресной воды, ii) добавления 1% мас./мас. смазки в пресную воду, перемешивание, а затем запись показаний прибора для испытания смазывающей способности OFITE, iii) удаление смазочного флюида из прибора для испытания смазывающей способности OFITE; iv) очистка с помощью ацетона/воды значительных компонентов прибора для испытания смазывающей способности OFITE; v) замена смазочного флюида на пресную воду и vi) сбор показаний OFITE при 150 дюймо⋅фунтах (17 Н⋅м) в течение времени (время выборки=30 минут). В приведенной ниже таблице приведены результаты (Таблица 3).
Она сравнивает ΔCoF со временем смазки для EX1 и для сравнительной TBL. Результаты показывают, что продукты по настоящему изобретению расширяют эффект смазки с течением времени, даже когда флюид заменяется несмазывающим флюидом.
Таблица 3
| ΔCoF | ||
| Прошедшее время (в часах) | FW+EX1 | FW+TBL |
| 0 | 80 | 57 |
| 2 | 76 | 2 |
| 4 | 70 | - |
| 6 | 60 | - |
| 8 | 30 | - |
Оценка колебания CoF по времени, индуцированному твердым содержимым и/или проявлением неравномерного вращения.
Буровой раствор на водной основе (WBM2) получают в соответствии со следующей формулой:
| Состав WBM2 | ppb |
| Пресная вода | |
| Ксантановая камедь | 0,8 |
| LAMPAC EXLO | 2,0 |
| Кальцинированная сода | 1,0 |
| Барит | 300,0 |
Сравнение распределения CoF для WBM2 с использованием микроэмульсии по примеру 1 по отношению к WBM2, содержащей коммерческий эталон (смазку на основе жирных эфиров) и WBM2 без какой-либо смазочной добавки выполняется с использованием трибометра на основе штифта на диске (от Tetra). Совокупность значений CoF достигается путем отбора проб нормальной силы (Fn) и тангенциальной силы (Ft), каждая из которых определяет единицу времени (u) в течение 7000 секунд. CoF получается для каждой единицы времени, используя закон Кулона (CoF(ui)=Ft(ui)/Fn(ui), где ui - i-й член массива времени). Полученные данные представлены как гистограммы, выражая на графике на оси x и на оси y, соответственно, значения CoF и нормализованного распределения вероятностей (условные единицы) CoF. Распределение вероятности отражает тренд во времени CoF для данного эксперимента.
Количество смазки, используемой в WBM2, составляет 1,0% мас./об.
Полученные результаты приводятся в таблицах 1 и 2.
Из фигур можно заметить, что в присутствии микроэмульсии по настоящему открытию распределение CoF (фиг.1) и, следовательно, его колебания во времени (фиг.2) - снижаются относительно случая со смазкой, имеющейся в продаже.
1. Способ повышения смазывающей способности скважинного флюида, который является буровым флюидом, флюидом для заканчивания скважины или флюидом для колтюбинга, включающий следующие стадии: i) получение микроэмульсии воды в масле, которая содержит нерастворимые частицы гидроксидов металлов во внутренней водной фазе, причем указанные нерастворимые частицы синтезируют из их солевых прекурсоров в водяных каплях микроэмульсии; ii) добавление к скважинному флюиду микроэмульсии воды в масле; iii) закачку скважинного флюида в подземный пласт месторождения и iv) выполнение операций бурения, заканчивания или колтюбинга в подземном пласте, в котором нерастворимые частицы гидроксидов металлов представляют собой наночастицы гидроксида цинка размером от 1 до 40 нм.
2. Способ повышения смазывающей способности скважинного флюида по п.1, в котором наночастицы представляют собой наночастицы гидроксида цинка размером от 5 нм до 40 нм.
3. Способ повышения смазывающей способности скважинного флюида по п.1 или 2, в котором микроэмульсия включает от 2 до 20 вес.% водной фазы, от 5 до 40 вес.% поверхностно-активных веществ, от 0 до 20 вес.% вспомогательных поверхностно-активных веществ и от 40 до 90 вес.% маслянистой фазы.
4. Способ повышения смазывающей способности скважинного флюида по п.3, в котором микроэмульсия содержит от 4 до 10 вес.% водной фазы, от 20 до 35 вес.% поверхностно-активных веществ, от 6 до 15 вес.% вспомогательных поверхностно-активных веществ и от 70 до 40 мас.% маслянистой фазы.
5. Способ повышения смазывающей способности скважинного флюида по п.3 или 4, в котором концентрация частиц в водной фазе микроэмульсии составляет от 0,2 М до 2 М.
6. Способ повышения смазывающей способности скважинного флюида по любому из предшествующих пунктов, в котором на стадии ii) микроэмульсию воды в масле разбавляют в солевом водном растворе с образованием микроэмульсии воды в масле в воде (w-o-w) или микроэмульсии разбавленной воды в масле перед добавлением во флюид.
