Внедрение экологичных структурированных гидрогелевых буровых растворов на основе растительного сырья

INTRODUCTION OF ENVIRONMENTAL STRUCTURED HYDROGEL DRILLING SOLUTIONS BASED ON PLANT RAW MATERIAL

V. NOZDRIA, «NPK Spetsburmaterialy» LLC, S. MAZYKIN, E. BELENKO, V. POLISHYCHENKO, «Service Center SBM» LLC, V. MNATSAKANOV, «Gazprom drilling» LLC

Сегодня, в связи с вовлечением в эксплуатационное бурение месторождений с трудноизвлекаемыми углеводородами, строительство нефтяных и газовых скважин производится в жестких горно-геологических условиях, к которым можно отнести: значительные отклонения забойных температур от естественного геотермического градиента, аномально высокие или аномально низкие пластовые давления, большую протяженность пологих и горизонтальных стволов в неустойчивых терригенных и подверженных эрозии хемогенных отложениях, сверхнизкую проницаемость продуктивных горизонтов. При этом технологические свойства промывочной жидкости должны соответствовать геомеханическим и термобарическим условиям скважины. Авторами представлены буровые растворы, в которых скрупулезно учтены особенности условий применения.

Due with the involvement of hard-to-recover hydrocarbon fields in production drilling, the construction of oil and gas wells is performed under severe geological conditions, including: significant deviations in bottomhole temperatures from the natural geothermal gradient, abnormally high or abnormally low reservoir pressures, horizontal trunks in unstable terrigenous and eroded chemogenic deposits, extremely low permeability of productive horizonte. In this case, the technological properties of the washing liquid must correspond to the geomechanical and thermobaric conditions of the well. The authors present the washing system Poliform and its characteristics.

В результате ужесточения природоохранных требований и вводом в эксплуатацию новых месторождений, разработка которых требует инновационного подхода к технологии промывки скважин, весьма актуальным становится создание качественно новой системы буровых растворов на водной основе, сочетающей в себе все технологические преимущества РУО, но отличающейся полной экологической безопасностью не только бурового раствора, но и бурового шлама.

Усложнение условий строитель­ства нефтяных и газовых скважин сопровождалось эволюцией применяемых систем буровых растворов. С бурным развитием горизонтального бурения весьма распространенные в 40-х – 80-х годах прошлого века бентонитовые (глинистые) буровые растворы были замещены малоглинистыми и безглинистыми водно-полимерными гелями, обладающими повышенной солестойкостью, термостабильностью и оптимальной реологической моделью течения в кольцевом (затрубном) пространстве скважины. В таких буровых растворах роль пространственного структурообразователя выполняют продукты микробиологического синтеза – ксантановые смолы (продукт жизнедеятельности бактерии Xantomonas Campestris). Довольно быстро выяснилось, что биополимеры ксантанового типа имеют ряд недостатков, существенно ограничивающих их применение. Это низкая устойчивость к биодеструкции в термобарических условиях скважины, склонность к механодеструкции под действием сдвиговых напряжений при циркуляции бурового раствора, неспособность к образованию на стенках скважины плотной и непроницаемой фильтрационной корки, склонность к флокуляции под действием агрессивного пластового флюида, относительно высокая рыночная стоимость.
Наиболее технологически совершенной системой являются буровые растворы на углеводородной основе (РУО), представляющие собой водно-углеводородные эмульсии инвертного типа. В качестве «углеводородной» фазы эмульсии используется дизельное топливо или минеральное масло, а в качестве «водной фазы» – насыщенные растворы минеральных солей (хлоридов кальция или натрия). При всех несомненных преимуществах РУО (широкий интервал варьирования удельного веса (от 0,8 до 2,5 г/см3), достаточно высокая термостойкость (до 200 °С), индифферентность по отношению к негативному воздействию горных пород и пластовых флюидов, обеспечение устойчивости стенок скважины, сохранение исходной проницаемости продуктивного коллектора), тем не менее вполне очевидны их недостатки: экологическая несовместимость РУО и отходов бурения (бурового шлама, буровых сточных вод) с окружающей средой, так как в состав РУО входят углеводороды и соли, относящиеся к 3-му классу опасности; относительно высокая стоимость РУО, связанная не только с тем, что данный раствор на 70 – 80 % состоит из углеводородов, но и с необходимостью применения дорогостоящих методов утилизации бурового шлама (термодеструкция, термодесорбция, переработка в строительный материал галечно-блочного типа).


В результате ужесточения природоохранных требований и вводом в эксплуатацию новых месторождений, разработка которых требует инновационного подхода к технологии промывки скважин, весьма актуальным становится создание качественно новой системы буровых растворов на водной основе, сочетающей в себе все технологические преимущества РУО, но отличающейся полной экологической безопасностью не только бурового раствора, но и бурового шлама. При этом рыночная стоимость 1 м3 нового бурового раствора должна быть в 1,25 – 1,5 раза ниже средней стоимости 1 м3 РУО, что обеспечит новой системе технико-коммерческую привлекательность. В настоящей работе для решения поставленной задачи использовались полиоксидаты – окисленные полимерные производные крахмального полисахарида и жидкого лигносульфоната. В новой системе бурового раствора комплексу полиоксидатов отводится роль основного гелеобразующего агента (структурообразователя), обеспечивающего целый набор оптимальных технологических характери­стик: оптимальное соотношение пределов прочности и текучести для реализации удерживающей и транспортирующей функций бурового раствора; псевдопла­стический характер течения для очистки от шлама пологих и горизонтальных стволов; высокие коркообразующие и смазочные свойства, гарантирующие устойчивость стенок скважины и отсутствие осложнений, связанных с прихватом бурильной колонны. Окисление растительного субстрата (композиции крахмала и лигносульфонатов) сопровождается получением комплекса полиоксидата с оптимальными молекулярными характеристиками (средняя молекулярная масса, характеристическая вязкость геля оксидата, степень разветвления макромолекулы), удовлетворяющими решению поставленной технологической задачи – достижению необходимой термосолестойкости геля, обеспечению псевдопластического характера течения системы, минимальной концентрации свободной воды.

Продукты разной степени окисления крахмалосодержащего растительного сырья молекулярным кислородом в щелочных гелях эффективны в качестве замедлителей схватывания тампонажных растворов, а также могут быть использованы как регуляторы фильтрации буровых растворов и нефтевытесняющие агенты.


Окисление лигносодержащего субстрата широко распространено при синтезе полезных химических продуктов для различных отраслей промышленности. Так, известен способ получения ванилина путем окисления лигносульфонатов кислородом воздуха в щелочной среде при повышенной температуре и давлении [1]. Получение ароматических оксиальдегидов производится путем окисления лигнина в щелочной среде в присутствии органического азотсодержащего окислителя – нитробензола, что позволяет получать целевой продукт с высоким выходом – 20 – 30 %. В качестве окислителя лигносульфонатов эффективно применение азопроизводного сульфатного лигнина, полученного азосочетанием сульфатного щелочного лигнина и диазотированного пара-нитроанилина при соотношении 1:0,4 (в моль). Это позволяет избежать использования токсичного нитробензола и получить высокий выход ванилина. Окислением лигносульфонатов соединениями шестивалентного хрома в кислой среде получают хромметаллсодержащие лигносульфонатные реагенты для обработки буровых растворов [2]. При этом, после стадии окисления лигносульфонатов, в реакционную массу вводят продукты взаимодействия солей поливалентных металлов с лигносульфонатами – металлсодержащие лигносульфонаты (продукты взаимодействия лигносульфонатов с солями алюминия или железа) [3].
Использование на стадии окисления растительного субстрата сильных окислителей приводит к глубокому изменению молекулярной структуры исходных полимеров, сопровождающемуся деструкцией и появлением в системе низкомолекулярных олигомеров. Для обеспечения оптимальных молекулярных характеристик полиоксидатов необходимо использовать методы «мягкого» окисления субстрата с применением перекиси водорода или кислорода воздуха. Так, для получения солей гуминовых кислот используется жидкофазное окисление смеси щелочного агента с лигносодержащим растительным сырьем [4]. В качестве лигносодержащего растительного сырья применяется побочный продукт получения целлюлозы сульфитным способом – концентрированные растворы лигносульфоната или лигнин (побочный продукт гидролизного производства), которые окисляются кислородом воздуха непрерывно в две стадии. Введение раствора перекиси водорода при температуре выше 80 °С в щелочную среду резко ускоряет ее разложение по реакциям ионного характера, при этом при взаимодействии с растительным сырьем образуются гидроперекиси, которые в щелочной среде гидролизуются с регенерацией перекиси. Часть органических веществ окисляется до двуокиси углерода, воды и низкомолекулярных органических кислот; другая часть органических веществ трансформируется в темноокрашенные высокомолекулярные вещества, которые могут быть выделены из раствора подкислением минеральной кислотой.

Обращает внимание ярко выраженный псевдопластический характер течения раствора «Полиформ», что делает данную систему потенциально эффективной при строительстве горизонтальных стволов.


Гелеобразующие полиоксидаты получаются при окислении жидкого лигносульфоната совместно с  крахмальными полисахаридами. При окислении крахмала (образуется одна карбоксильная группа на два основных звена) частично сохраняется его аморф­но-кристаллическая структура. При каталитическом окислении крахмала образуются высокомолекулярные продукты, в макромолекулах которых присутствуют как неизменные ангидроглюкозные циклы, так и окисленные звенья. Окисление крахмала происходит по нерадикальному механизму и сопровождается разрывом углерод-углеродных связей в положении 2,3-ангидроглюкозного звена. При этом образуется только одна карбоксильная группа на каждое окисленное звено [5, 6]. Продукты разной степени окисления крахмалосодержащего растительного сырья молекулярным кислородом в щелочных гелях эффективны в качестве замедлителей схватывания тампонажных растворов, а также могут быть использованы как регуляторы фильтрации буровых растворов и неф­тевытесняющие агенты.
В результате каталитического окисления молекулярным кислородом раствора крахмала (Mr ~ 106, содержание амилозы 20 %) и лигносульфоната при температуре 80 °С в присутствии щелочи и солей меди получали структурированный гель полиоксидата, на основе которого был разработан буровой раствор «Полиформ», обладающий комплексом технологических свойств, максимально близким к РУО.
Технологические свойства раствора «Полиформ» приведены в табл. 1.


Отмечаются сверхнизкие значения показателя фильтрации, который при комнатной температуре стремится к нулю, а при температуре 80 °С и перепаде давления 25 атм. (HPHT) не превышает 3 см3/30 мин. (для неутяжеленной системы). Данная особенность системы «Полиформ» связана с высокой степенью карбоксилирования макромолекул полиоксидата, в результате которой свободная вода практически отсутствует.
Зависимость пластической вязкости раствора «Полиформ» от удельного веса, а также типичные кривые течения данной системы и РУО представлены на рис. 1, 2.
Отмечается ярко выраженный псевдопластический характер течения раствора «Полиформ», что делает данную систему потенциально эффективной при строительстве горизонтальных стволов.

Буровой раствор «Полиформ» не оказывает негативного воздействия при первичном вскрытии низкопроницаемых терригенных продуктивных горизонтов. «Полиформ» является прямым экологически безопасным конкурентом РУО. «Полиформ» практически безопасен для окружающей среды (4–й класс опасности) и не требует применения термических методов утилизации шлама.

Были проведены исследования раствора «Полиформ» на тестере линейного набухания (LSM) на образцах глинистого керна, которые показали, что максимальное увеличение глинистого образца в среде бурового раствора «Полиформ» за 24 часа составило 7,5 %, что указывает на беспрецедентно высокую ингибирующую активность «Полиформ», аналогичную РУО. Выполненная оценка диспергирующей способности бурового раствора «Полиформ» (Hot roll dispersion test) показала, что данный раствор обладает сверхнизкой диспергирующей способностью (1,5 %) на высокоглинистом шламовом материале и существенно превосходит по данному показателю РУО (11,1 %) (табл. 2).
Результаты изучения ингибирующей способности бурового раствора «Полиформ» (плотностью 1,36 г/см3) в сравнении с хлоркалиевым буровым раствором и инвертной эмульсии на углеводородной основе (РУО) приведены на рис. 3. Исследования ингибирующих свойств буровых растворов проводились на динамическом те­стере линейного набухания OFITE. В качестве стандартизированных образцов глинистой породы использовали глиноматериал со следующими характеристиками: общий обменный комплекс – 21,20 мг-экв/100 г; содержание щелочно-земельных элементов – 9,8 мг-экв/100 г; содержание щелочных элементов – 11,40 мг-экв/100 г; выход глинистого раствора из 1 т глиноматериала составляет 2,4 м3.
Буровой раствор «Полиформ» на основе гидрогеля карбоксилированных полиоксидатов, в составе которого отсутствует свободная водная фаза, обладает весьма высокой потенциальной эффективностью при первичном вскрытии низко- и среднепроницаемых терригенных коллекторов, не уступая по данному показателю РУО (табл. 3).
Экспериментальная оценка влияния бурового ра­створа «Полиформ» на величину коэффициента восстановления проницаемости ачимовских отложений Уренгойского НГКМ выполнялись на установке FDES‑645ZX1, разработанной Coretest Systems (США), которая позволяет измерять проницаемость колонки керна до и после обработки буровым раствором, а также производить прокачку через цилиндрические образцы керна различные технологические жидкости в пластовых условиях. Для проведения испытаний было сформировано две колонки из образцов песчаного кернового материала, отобранного при бурении скважины № 755 Уренгойского НГКМ. Моделирование пластовых условий производилось в специальном кернодержателе, в котором создавались пластовое эффективное давление (23 % МПа) и температура (105 °С). Результаты исследований влияния раствора «Полиформ» на проницаемость кернового материала ачимовских отложений представлены в табл. 4.
Таким образом, буровой раствор «Полиформ» не оказывает негативного воздействия при первичном вскрытии низкопроницаемых терригенных продуктивных горизонтов.
Результаты исследований гидрогелевой системы «Полиформ», полученной на основе полиоксидата крахмально-лигносульфонатного комплекса, можно обобщить в нижеследующих выводах:
– Ингибирующие свойства раствора «Полиформ» аналогичны углеводородным системам, а по антидиспергирующей активности «Полиформ» превосходит РУО. Поэтому «Полиформ» является прямым экологически безопасным конкурентом РУО.


– Течение раствора «Полиформ» описывается псевдопластической реологической моделью, которая обеспечивает оптимальные выносящие и удерживающие свойства системы.
– Частицы выбуренной глинистой породы в среде «Полиформа» лишены липкости, что минимизирует опасность образования сальников.
– Раствор «Полиформ» инертен к действию полиминеральных кислых пластовых вод и сохраняет свою структуру и свойства при бурении в пористых аргиллитах.
– Промывочная система «Полиформ» сохраняет исходную проницаемость терригенных коллекторов и может быть рекомендована для первичного вскрытия низкопроницаемых продуктивных горизонтов.
«Полиформ» практически безопасен для окружающей среды (4-й класс опасности) и не требует применения термических методов утилизации шлама.

Литература

1. Камалдина О.Д., Массов Я.В. Получение ванилина из лигносульфонатов. М., 1959.

2. Дж.Р. Грей, Г.С. Г. Дарли. Состав и свойства буровых агентов промывочных жидкостей. М.: Недра, 1985. С. 489.

3. Патент РФ 2152420. Способ получения смешанных хромметаллсодержащих лигносульфонатных реагентов для обработки буровых растворов [Электронный ресурс]. URL: http://www.freepatent.ru/patents/2152420 (дата обращения: 02.09.2017).

4. Патент РФ 2205166. Способ получения солей гуминовых кислот [Электронный ресурс]. URL: http://www.freepatent.ru/patents/2205166 (дата обращения: 02.09.2017).

5. Skibida I.P., Sakharov An.M., Sakharov Al.M. Process for the production of oxyacids from carbohydrates: US Pat. 5 484 914. 1996.

6. Сахаров А.М., Скибида И.П. // Химическая физика. 2001. Т. 20. № 5. С. 101.

References

1. Kamaldina O.D., Massov Ya.V. Preparation of vanillin from lignosulfonates. M., 1959.

2. John.R. Gray, G.S.G. Darley. The composition and properties of drilling agents, drilling fluids. M.: Nedra, 1985. P. 489.

3. RF patent 2152420. A method for producing mixed chromium metal-containing ligno sulfonate reagents for treatment of drilling fluids [Electronic resource]. URL: http://www.freepatent.ru/patents/2152420 (accessed: 09/02/2017).

4. RF patent 2205166. The method of obtaining salts of humic acids [Electronic resource]. URL: http://www.freepatent.ru/patents/2205166 (accessed: 02.09.2017).

5. Skibida I.P., Sakharov An.M., Sakharov Al.M. Process for the production of oxyacids from carbohydrates: US Pat. 5 484 914. 1996.

6. Sakharov A.M., Skubida I.P. // Chemical physics. 2001. Vol. 20. №. 5. P. 101.

Комментарии посетителей сайта

    Функция комментирования доступна только для зарегистрированных пользователей


    Авторизация


    регистрация

    Ноздря В.И.

    Ноздря В.И.

    к.г.-м.н., генеральный директор

    ЗАО «НПК «Спецбурматериалы»

    Мазыкин С.В.

    Мазыкин С.В.

    первый заместитель генерального директора – главный инженер

    ООО «Сервисный Центр СБМ»

    Беленко Е.В.

    Беленко Е.В.

    д.х.н., заместитель генерального директора по технологиям

    ООО «Сервисный Центр СБМ»

    Полищученко В.П.

    Полищученко В.П.

    главный технолог

    ООО «Сервисный Центр СБМ»

    Мнацаканов В.А.

    Мнацаканов В.А.

    к.т.н., заместитель генерального директора – главный инженер

    ООО «Газпром бурение»

    Просмотров статьи: 275

    Rambler's Top100

    admin@burneft.ru