ВВЕДЕНИЕ
На сегодняшний день наиболее перспективным и актуальным в области бурения нефтяных и газовых скважин, наряду с решением задач по предупреждению технологических осложнений, стоит вопрос сокращения затрат на химические реагенты и материально-технические ресурсы, применяемые при строительстве скважин, а также поиск и внедрение отечественных аналогов импортных материалов.
В рамках оптимизации рецептур буровых растворов рассмотрены изменения рецептурных составов пресного раствора на основе акриловых полимеров, рецептуры хлоркалиевого бурового раствора. В процессе выполнения лабораторных испытаний оценено изменение технологических параметров растворов при воздействии повышенных температур, динамики изменения показателя консолидирующей способности.
ОПТИМИЗАЦИЯ ПРЕСНОГО БУРОВОГО РАСТВОРА
В настоящее время рецептура на основе акриловых полимеров включает в свой состав понизитель фильтрации на основе отечественного полиакрилата натрия, флокулянт на основе высокомолекулярного полиакриламида, а также загуститель полимерной основы – ксантановый биополимер, который является реагентом импортного производства и не имеет аналогов на отечественном рынке химических материалов и реагентов, однако, у реагента есть недостаток, связанный с ферментативной неустойчивостью.
В качестве загустителя и структурообразователя в систему раствора включен бентонитовый глинопорошок, который представляет собой высококоллоидальную глину, обработанную кальцинированной содой. Благодаря данному типу модификации, реакционная способность глинопорошка обратно пропорциональна явлению естественной наработки раствора коллоидной фазой, вызывающей осложнения в регулировании технологических параметров бурового раствора.
При растворении глинопорошка в полимерной водной фазе отсутствует набухание химического реагента, что обусловлено его переходом из гидрофильного в гидрофобное состояние, благодаря обволакиванию полимерными оболочками (рис. 1). Данное явление усиливает структурообразующую функцию глинопорошка, сопоставимую с применением полимерных материалов.
Для оценки возможности применения глинопорошка взамен ксантанового биополимера проведены работы по оценке технологических параметров буровых растворов до и после температурного воздействия (табл.1). В табл. 1 отображены результаты реологических и фильтрационных показателей через 10 сут. после нахождения растворов в статическом состоянии при комнатной температуре. Полученные результаты подтверждают отсутствие ферментативного разложения растворов, что обусловлено отсутствием в системе раствора природных полисахаридов.
Дополнительно проведены лабораторные исследования по оценке консолидирующей способности бурового раствора и воды на прочность модельных глинистых образцов, близкой к естественной влажности и структуре, с учетом анизотропии прочностных свойств. Анизотропия глинистых пород и наличие в структуре породы плоскостей напластования оказывают большое влияние на прочностные свойства породы.
Модельные образцы помещались в буровой раствор на 5 сут. в статические условия. На рис. 2 видно, что разработанная рецептура бурового раствора оказывает минимальное воздействие на прочностные характеристики образцов. Влажность глинистого образца равна 30 %.
Важно отметить принципиальные отличия между методиками оценки ингибирующей и консолидирующей способности буровых растворов. При оценке ингибирующей способности модельные образцы помещаются в фильтрат бурового раствора под воздействием давления и температуры, а при оценке консолидирующей способности образцы помещаются в буровой раствор.
Характерным преимуществом разработанной рецептуры бурового раствора является высокая вязкость фильтрата, которая ограничивает глубину его проникновения в породу доступной для ее гидратации.
ОПТИМИЗАЦИЯ ХЛОРКАЛИЕВОГО БУРОВОГО РАСТВОРА
С целью сокращения затрат на химические реагенты проведены лабораторные исследования по оптимизации рецептуры хлоркалиевого бурового раствора. Поскольку геологический разрез всех месторождений при бурении интервала под хвостовик состоит всего лишь из 35% глинистых отложений в верхних участках интервала бурения из-под эксплуатационной колонны (рис. 3), применение ингибитора набухания глинистых сланцев нецелесообразно.
Довольно распространенной причиной отклонений параметров хлоркалиевого бурового раствора является крахмал экструзионного типа модификации, включенный в состав рецептуры, который не обеспечивает требуемый показатель фильтрации при повторном применении бурового раствора.
Проведены лабораторные исследования по подбору оптимальных концентраций солей, крахмального реагента и подбор оптимальной концентрации ксантаневого биополимера с последующим замером технологических параметров до и после прогрева на 120 °С через 10 сут. после нахождения буровых растворов в статическом состоянии при комнатной температуре, а также оценка консолидирующей способности (табл. 2).
Поскольку ингибирование зависит не только от наличия в рецептурном составе реагентов ингибиторов, но и от фильтрационных и реологических характеристик, в составе рецептуры бурового раствора крахмальный реагент слабой химической модификации заменен карбоксиметилированным крахмалом со степенью замещения 0,3, что придает крахмалу высокую вязкость, вследствие чего появляется возможность снизить концентрацию биополимера.
Карбоксиметилированный крахмал наиболее устойчив к карбонатно/бикарбонатным загрязнениям, т.к. его модификация подразумевает наличие данных групп в его химической структуре. Дополнительным плюсом является устойчивость к биодеструкции, что позволяет снизить концентрацию бактерицидной добавки.
При оценке консолидирующей способности бурового раствора отмечено, что оптимизированная рецептура обеспечивает прочность глинистых образцов, а ее влажность составляет 17 % (рис. 3), тем самым подтверждается эффективность разработанной рецептуры.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В рамках выполнения работ, направленных на сокращение затрат на приготовление буровых растворов, проведены научно-исследовательские работы по оптимизации систем промывочных жидкостей.
Основным направлением совершенствования системы пресного бурового раствора на основе акриловых полимеров являлось исключение из рецептурного состава дорогостоящего импортного реагента на основе ксантанового биополимера и внедрение в состав рецептуры эффективного реагента структурообразующего действия.
Положительный результат работы был достигнут с учетом включения в состав раствора глинопорошка. В процессе исследований доказана его реакционная особенность действия при введении материала в рецептуру, насыщенную акриловыми высокомолекулярными полимерами.
Лабораторные испытания подтвердили, что реагент на основе модифицированной глины функционально обеспечивает необходимые реологические показатели, сопоставимые с структурообразующим действием ксантанового биополимера импортного производства. Замена биополимера глинопорошком экономически выгодна.
При оптимизации рецептуры хлоркалиевого бурового раствора выполнено несколько изменений, связанных с переводом рецептуры в бинарный буровой раствор путем частичного замещения дорогостоящей соли хлористого калия хлористым натрием. При этом положительным результатом выполненного этапа явилось сохранение исходных высоких ингибирующих характеристик.
Выполнена замена крахмального реагента слабой химической модификации реагентом с более высокими вязкостными характеристиками и термической устойчивостью путем включения в состав карбоксиметилированного крахмального реагента. Изменение типа крахмала с более сложной модификацией позволяет снизить расход ксантанового биополимера и, соответственно, исключить или снизить до минимальных концентраций расход биоцидных добавок.
По результатам проведенного инженерного сопровождения строительства интервала под хвостовик с применением рецептуры раствора хлоркалиевого бурового раствора без включения в рецептурный состав ингибирующей добавки, а также с учетом обоснования разреза интервала под хвостовик, представленного преимущественно сцементированным песчаником, определена нецелесообразность применения ингибитора.
Ингибитор не обеспечивает консолидации песчаников. Таким образом, применение реагента в составе минерализованного бурового раствора приводит к удорожанию рецептуры раствора и нерациональному расходу материала.
Оптимизированные рецептуры бурового раствора обладают оптимальными технологическими параметрами без включения в компонентный состав биополимера и устойчивы к температурному воздействию.
Предлагаемые рецептуры бурового раствора рекомендованы для бурения скважин в сложных горно-геологических условиях.
