Современное состояние сырьевой базы характеризуется изменением структуры и качества запасов нефти как на разрабатываемых, так и на вновь открываемых месторождениях [2]. Чаще всего это трудноизвлекаемые залежи с низкопроницаемыми и сложнопостроенными коллекторами. Для получения максимально возможных дебитов нефти необходима тщательная подготовка систем буровых растворов, обеспечивающих решение технологических задач промывки ствола скважины, а также наилучшим образом сохраняющих продуктивные пласты при вскрытии.
Буровой раствор является многокомпонентной и многофункциональной системой. Как известно, важнейшими характеристиками раствора являются реологические и фильтрационные свойства. При бурении нефтяных и газовых скважин для регулирования фильтрационных и реологических свойств безглинистых и малоглинистых буровых растворов могут быть использованы полисахариды и другие полимерные соединения (табл. 1). 
ГК «Миррико» имеет в своей линейке широкий спектр реагентов для бурения, однако выбор реагента в каждом случае определяется геологическими особенностями месторождения, типом бурового раствора и экономической целесообразностью.
Полимеры, использующиеся на сегодняшний день в буровой практике, придают растворам низкую пластическую вязкость, высокое динамическое напряжение сдвига, а также структурные характеристики, обеспечивающие высокие скорости бурения и эффективную очистку забоя и ствола скважины от выбуренной породы ввиду особенностей строения макромолекул. В полисахаридах, таких как крахмал (рис. 1), ксантановая камедь (рис. 2) основными функциональными группами являются неионогенные гидроксильные, карбонильные и альдегидные группы, которые индифферентны к солевой агрессии и повышенной жесткости воды, за счет чего полисахариды сохраняют свои свойства в растворах любой степени минерализации.
Кроме того, полисахариды способны к быстрой биологической деструкции, за счет чего обеспечивается возможность разрушения и удаления кольматационного слоя, образующегося в процессе бурения, и практически полное восстановление коллекторских свойств пласта.
В свою очередь в молекулах карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) и полиакриламида (ПАА) (рис. 3) содержится большое количество полярных ионогенных групп, таких как карбоксильные и амидные, которые могут вступать во взаимодействие с катионами металлов, что делает невозможным использование данных полимеров в сильно минерализованных средах. Полимеры особенно чувствительны к воздействию катионов двухвалентных металлов (например, иона кальция), что напрямую связано с химическим строением молекул, а именно наличием и типом функциональных групп, входящих в макромолекулу полимера и их пространственного расположения. Поэтому ПАА и КМЦ находят применение, в основном, в пресных растворах. Исключение составляет полианионная целлюлоза (ПАЦ), которая также содержит карбоксильные группы, но устойчива в концентрированных растворах солей в виду особенностей строения макромолекул [3].
Таким образом, очевидно, что применение полимеров, имеющих в своем составе большое количество полярных недиссоциирующих на ионы групп, обеспечивает хорошую растворимость и стабильность свойств буровых растворов в широком интервале концентраций солей. Однако поведение полисахаридов в растворах обусловлено не только химической природой молекул полимера. Весьма существенное влияние оказывают надмолекулярные структуры, примеси, присутствующие в продукте, и технология его производства.
Рассмотрим влияние содержания электролитов на функциональные свойства ксантановых биополимеров и крахмальных реагентов. В качестве примера в различии свойств полисахаридов одной химической природы протестированы растворы образцов ксантановых полимеров (ксантановый биополимер «Гаммаксан» производства ГК «Миррико»; пищевая ксантановая камедь, которая нередко используется при бурении) и модифицированных крахмалов («Амилор Р-120» (на основе кукурузного сырья), «Амилор Р-122» (на основе картофельного сырья) производства ГК «Миррико», нативный крахмал по ГОСТ 7699-78) в пресной и минерализованной водах. Для создания ионной среды использовались три различные соли: хлористый натрий NaCl, хлористый калий KCl и хлористый кальций CaCl2. Готовились 0,5%-ные водные растворы ксантановых полимеров и 3%-ные водные растворы модифицированных крахмалов при 20°С. Клейстеризация нативного крахмала проводилась в конкретной дисперсной среде при нагревании суспензии до температуры клейстеризации в течение определенного времени.
Свойства полученных растворов приведены в табл. 2 и 3.
из различных сортов ксантановых биополимеров
*ПВ – пластическая вязкость, ** ДНС – динамическое напряжение сдвига, *** СНС – статическое напряжение сдвига.
Из табл. 2 видно, что в пресной среде показатель фильтрации (ПФ) растворов крахмальных реагентов имеет достаточно низкое значение и не зависит от типа используемого продукта. В минерализованной же среде величина ПФ существенно ниже для растворов крахмальных реагентов марки «Амилор». Следовательно, преимуществом использования буровых крахмалов марки «Амилор» является постоянство свойств раствора независимо от степени его минерализации.
На столь сильные различия в свойствах модифицированных крахмальных реагентов может оказывать влияние состав исходного сырья, в частности содержание в нем белка и клетчатки. Взаимодействие белковых молекул с полисахаридами крахмала может привести к понижению гидратации гидроксилов ангидроглюкозных единиц, что негативно сказывается на растворимости получаемого продукта и, как следствие, на показателях раствора в целом [4].
Технология очистки сырья и термохимической модификации природного крахмала с клейстеризацией на вальцовой сушилке позволяет ГК «Миррико» производить высококачественный продукт со стабильными характеристиками. Технология вальцовой сушки имеет ряд преимуществ перед традиционной экструзионной сушкой, основными из которых являются лучший показатель фильтрации конечного продукта, а также пониженное содержание влаги в готовом продукте (не более 4,5% против 8 – 12% в крахмале, произведенном экструзионным способом).
В зависимости от природы сырья – картофельного, кукурузного или тапиокового нативного крахмала – и параметров технологического процесса производятся продукты различных марок, обладающие различными свойствами. К примеру, тапиоковый крахмал обладает наибольшей вязкостью и может быть использован для изменения реологических свойств раствора, кукурузный – наименьшей, а картофельный позволяет получить готовый продукт как с высокой, так и с низкой условной вязкостью. Эти факторы также должны быть учтены для наиболее рационального выбора продукта.
Как показывает табл. 3, в пресном растворе показатели ДНС, СНС и ПВ имеют сравнимые по величине значения для обоих сортов ксантановых полимеров. В минерализованных средах раствор пищевой ксантановой камеди теряет необходимые реологические свойства, тогда как раствор биополимера «Гаммаксан» сохраняет функциональные свойства на прежнем уровне, обеспечивая требуемую выносящую способность в любых средах.
Биополимерные продукты часто имеют в своем составе остатки жирных и уроновых кислот, содержащих анионоактивные карбоксильные группы, которые могут вступать в ионообменные взаимодействия с различными ионами, что обуславливает зависимость реологических свойств раствора от состава и концентрации минеральных и других ингредиентов. Кроме того, не следует забывать о том, что на скорость гидратации и физико-химические показатели природных полисахаридов в большой степени влияют пространственное взаиморасположение функциональных групп и боковых цепей и регулярность их чередования. Поэтому природные полисахариды, получаемые на разных производственных линиях, могут кардинально отличаться по свойствам друг от друга, имея при этом одно и то же название химического соединения. Регулируя технологические параметры производства органических полимеров, глубину очистки сырья и готового продукта, ГК «Миррико» обеспечивает отличное качество биополимеров для буровых растворов. В табл. 4 приведены некоторые результаты испытания биополимера «Гаммаксан» сторонними компаниями (потребителями и независимыми лабораториями).
в крупных сторонних лабораториях
