Стабилизация буровых растворов, содержащих полимерные реагенты различной природы

Введение

Актуальность работы. В повышении эффективности и качества бурения и освоения нефтегазовых скважин важную роль играет процесс стабилизации стенок скважин специальными промывочными жидкостями, которые имеют высокие ингибирующие свойства и одновременно обеспечивают сохранение коллекторских характеристик пород и способствуют продуктивной работе долота на забое.
Подбор оптимальных рецептур для соответствующих геолого-технических условий является одна из наиболее актуальных проблем.
Процессы, происходящие при взаимодействии промывочной жидкости с вокруг стволовыми породами являются предметом исследований многих ученых и специалистов по бурению нефтегазовых и других скважин, сооружаемых в глинистых толщах, склонных к потере устойчивости. В основу данных исследований взяты методы, которые освещены в работе [1], а также учтены результаты усовершенствования рецептур, осуществленных Щукиным Н. В. [2], Титаренко. X. [3] и Рязановым Я. А. [4]. Устойчивость разбуриваемых пород в значительной степени зависит от близости компонентного состава фильтрата буровой промывочной жидкости и состав пластовой воды: Чем ближе этот состав, тем выше устойчивость пород, слагающих стенки скважины.
Технология бурового раствора играет значительную роль при строительстве нефтяных и газовых скважин. При строительстве скважин буровые растворы должны обеспечивать безопасность и бесперебойную работу при высоких скоростях бурения и качественном вскрытии продуктивного пласта.
Параметры раствора изменяются под влиянием температуры, давления, пластовой воды и частиц буровой породы. Для поддержания параметров раствора на должном уровне в раствор добавляют химические реагенты.
Обработка химическими реагентами проводится для обеспечения определенных показателей качества, но ее основное назначение заключается в стабилизации бурового раствора как дисперсной системы или изменении структурно-механических свойств этой системы. Эти две задачи взаимосвязаны.
Объект исследования: буровые растворы, содержащие полимерные реагенты
Предмет исследования: полимерные реагенты различной природы
Цель работы: рассмотреть стабилизацию буровых растворов, содержащих полимерные реагенты различной природы.
Для осуществления поставленной цели необходимо решить задачи:
- рассмотреть буровые растворы;
- описать стабилизацию буровых растворов;
- проанализировать реагенты.
1.Буровые растворы
Буровые растворы применяются в самых разнообразных горно-геологических условиях, при этом на их физико-механические свойства отдельно или совместно влияют температура, давление, электролиты, стабильность, сжимаемость, скорость сдвига, режим течения и др.Большинство из этих факторов, при аномальных и близких к ним значениях, приводят к негативным изменениям буровых растворов.
Температуры, достигающие дна от +5 С до 250 С и более, создают наибольшие проблемы при регулировании свойств буровых растворов при циркуляции раствора в устье Анны почти всегда менее 45,5%, чем в забое, через тепловую стенку ствола скважины. Но на глубине около 3000 м температура раствора на дне примерно одинакова при циркуляции, при ее отсутствии, а также при спускоподъемных работах, за исключением аномальных зон и вечной мерзлоты. Снижение температуры происходит также при увеличении расхода в циркуляции и диаметра бурильных труб. Во всех случаях температура ниже, чем в водных растворах, и при ее увеличении вязкость уменьшается, а СНС увеличивается. Кроме того, при повышении температуры:
вязкость дисперсионной среды уменьшается, что приводит к обратимому снижению пластической вязкости.;
толщина сольватной оболочки гидратированных частиц уменьшается, что облегчает их коагуляцию и флокуляцию и приводит к обратимому увеличению динамического напряжения сдвига (ДНС), а при высоких температурах – к необратимым структурным изменениям;
связи между агрегированными шкалами ослабляются в результате интенсивного броуновского движения и увеличения числа контактов, при этом степень дисперсии возрастает с необратимым увеличением структурно-механических свойств;
термоокислительная деградация химических веществ происходит, часто до необратимого состояния, и поэтому фильтрация резко возрастает;
при температуре 95°С все гидроксиды вступают в реакцию с глинистыми минералами, особенно при высокой щелочности и содержании твердой фазы. Например, добавление извести в глинистый раствор при температуре 120°С и более приводит к образованию затвердевших гидратированных алюмосиликатов;
повышается ионная активность любого электролита и растворимость солей при нарушении ионного равновесия, что приводит к увеличению коагуляции, иммобилизации воды, разрушению глинистой корки и увеличению фильтрации.
Повышенное давление увеличивает плотность бурового раствора и, как следствие, снижает скорость бурения, увеличивает вязкость фильтрата и уменьшает фильтрационные потери, причем на скорость фильтрации это существенно не влияет.
Различные соли оказывают очень большое влияние на свойства раствора. Так, при поступлении в раствор одновалентных солей ионы хлора увеличивают отрицательный заряд дисперсионной среды, а ионы натрия -положительный заряд, что приводит к уменьшению отрицательного заряда частиц и сил отталкивания между ними и, как следствие, к коагуляции. Такая система не способна образовать непроницаемую глинистую корку, поэтому фильтрация резко возрастает. Добавление хлоридов и других солей снижает рН за счет замещения ионов водорода обменного комплекса глин ионами натрия. В 1% растворе NaCl бентонит гидратируется удовлетворительно, в 5%-незначительно, а в 15% и выше - бентонит не гидратируется и выпадает в осадок. Механизм действия поливалентных солей аналогичен описанному выше, но значительно сильнее. Все соли способствуют интенсивной коррозии оборудования, особенно при высоких температурах.
Для поддержания свойств бурового раствора в большинстве случаев при бурении используются химически обработанные промывочные жидкости

. Обработка химическими реагентами проводится для обеспечения определенных показателей качества, но ее основное назначение заключается в стабилизации бурового раствора как дисперсной системы или изменении структурно-механических свойств этой системы.
2. Стабилизация буровых растворов
Стабилизация бурового раствора понимается как приведение его в стабильное состояние. Суть процесса стабилизации заключается в предотвращении уплотнения (агрегации) твердой фазы за счет гидрофильности частиц, адсорбционной защитной пленки и соответствующего заряда оболочек.
Свойства можно регулировать либо изменением концентрации и дисперсии твердой фазы, либо обработкой специальными химическими реагентами, либо одновременным использованием этих методов. Перед введением дополнительного количества или нового компонента дисперсной фазы (или химического вещества) необходимо удалить из промывочной жидкости избыточную твердую фазу, в том числе мелкую фазу, превышающую количество, необходимое для поддержания стабильности системы, удержать тяжелые частицы во взвешенном состоянии при остановке циркуляции и сформировать в стенках скважины низкопроницаемую фильтрационную корку. Дополнительные компоненты должны вводиться в циркулирующую жидкость равномерно в течение одного или нескольких полных циклов циркуляции и только после того, как она пройдет через механизмы системы очистки.
Обработка химическими реагентами проводится для обеспечения определенных показателей качества, но ее основное назначение-стабилизация бурового раствора.
Образование гидратных оболочек и увеличение их размеров при обработке бурового раствора химическими реагентами приводит к снижению содержания свободной воды и, соответственно, к увеличению количества связанной воды.
Адсорбционные защитные пленки на поверхности частиц являются структурно-механическим барьером, препятствующим их агрегации. Как правило, они обладают высокой гидрофильностью.
Процесс стабилизации обычно сопровождается пептизацией раствора, т. е. разделением агрегатов частиц твердой фазы на более мелкие, что повышает плотность и прочность фильтрационной корки. Стабилизация и пептизация бурового раствора обеспечивают снижение выхода воды.
Увеличение количества связанной воды и увеличение количества дисперсных частиц в твердой фазе незначительно увеличивает вязкость и СНС.
Регулирование структурно-механических свойств промывочных жидкостей может быть направлено на повышение их вязкости и ограничение статических напряжений сдвига, а также на снижение этих показателей.
При обработке химических реагентов для стабилизации буровых растворов избыточное количество реагентов может вызвать чрезмерное увеличение толщины гидратных оболочек, что, вследствие резкого уменьшения сил взаимного притяжения, приводит к падению прочности структуры и ее нарушению, т. е. к коагуляции.
Реагенты, используемые для обработки буровых растворов, по своей природе и назначению можно разделить на две группы: электролиты и защитные высокомолекулярные вещества. Кроме того, для регулирования свойств буровых растворов применяются присадки, которые подразделяются на поверхностно-активные вещества, снижающие поверхностное натяжение на границе с газом и нефтью; пеногасители; утяжелители и смазочные добавки.
3. Реагенты
Химические реагенты делятся на три группы:
- структурообразующие реагенты;
- реагенты-стабилизаторы;
- реагенты специального назначения.
Реагенты-стабилизаторы в основном предназначены для снижения фильтрации и вязкости раствора. Это органические соединения с высокой гидрофильностью и растворимостью в воде; органические соединения с более низкой молекулярной массой эффективно снижают вязкость, а с более высокой - фильтрацию буровых растворов. Наиболее распространенными реагентами являются стабилизаторы на основе:
- целлюлоза (КМЦ, овес, карбамино, карбоген);
- лигносульфонатов (ССБ, КССБ, Аксел, ФХЛС);
- лигнин (нитролигнин, изетан);
- полифенолы (ПФЛХ);
- акриловые полимеры (гипан, ПАА, К- 4, метас);
- биополимеры (декстран, ХC);
- натриевые и калиевые соли гуминовых кислот (УЩР, ТЩР);
- крахмалы (технический и модифицированный крахмал).
Реагенты-стабилизаторы в основном предназначены для снижения фильтрации и вязкости раствора. Это органические соединения с высокой гидрофильностью и растворимостью в воде. Органические соединения с меньшей молекулярной массой эффективно снижают вязкость, а с большей—фильтрацию буровых растворов.
Карбоксиметицеллюлоза (КМЦ) - натриевая соль простого эфира целлюлозы и гликолевой кислоты. Промышленность поставляет высоковязкие (КМЦ-500, КМЦ-600) и низковязкие (КМЦ-300, КМЦ-250) реагенты. Цифры в обозначении указывают на степень полимеризации, то есть количество элементарных звеньев в макромолекулярной цепи высокомолекулярного соединения. КМЦ представляет собой беловатое волокнистое вещество, которое медленно растворяется в воде, образуя вязкий коллоидный раствор.
Низковязкая КМЦ-300 предназначен для снижения фильтрации буровых растворов от пресных до среднеминерализованных хлоридом натрия при температурах до 130-140ГС. Высоковязкий КМЦ обладает способностью снижать фильтрацию буровых растворов до тех пор, пока они не будут насыщены хлоридом натрия. КМЦ эффективно снижает фильтрацию растворов, содержащих значительное количество солей кальция и магния. CMC-500 и CMC-600 используются при температурах 150-160 и 160-180°C соответственно. оптимальная концентрация КМЦ в растворе составляет 0,8-1,2% при рН 8-10. Буровой раствор КМЦ вводят в виде 4-5% водного раствора.
Для повышения термостабильности КМЦ в него при синтезе вводят небольшое количество фенола, аминоспиртов и анилина. Вставные продукты, соответственно Карбоген, карбамоил, карбонил, обладают более высокой эффективностью в условиях высоких температур и солености