Около 16–26 % от общего времени строительства скважин до сих пор затрачивается на ликвидацию осложнений, вызванных геологическими условиями. Ликвидация осложнений – чрезвычайно дорогой процесс. Исходя из практического опыта, любое осложнение лучше и легче предупредить, нежели ликвидировать.
Проблема разработки новых и эффективных составов технологических жидкостей для строительства скважин и вскрытия продуктивных пластов весьма актуальна и востребована, а наиболее перспективным является использование вторичных ресурсов различных производств в качестве компонентов буровых растворов, как с экономической, так и с экологической точек зрения. В связи с этим возникает необходимость разработки оптимизированных составов промывочных жидкостей, специально подобранных под конкретные геологические условия районов проведения работ по строительству скважин.
Целью данной работы является разработка бурового раствора, позволяющего повысить эффективность бурения в осложненных условиях. Идея работы заключается в разработке составов буровых растворов с конденсированной твердой фазой с использованием вторичных ресурсов производства глинозема, с целью обеспечения безаварийной проводки скважин в неустойчивых породах, обеспечении сохранения целостности ствола скважины, предотвращения нефтегазоводопроявлений и кольматации продуктивной зоны при ее вскрытии.
В качестве одного из основных компонентов рассматривался сульфатный КЕК. В процессе производства алюминия, в частности, глинозема Al2O3, образуется большое количество вторичных ресурсов, которые могут содержать полезные элементы и соединения, но извлечение которых не рентабельно. В частности, предлагается рассмотреть следующий тип вторичного сырья производства глинозема, который имеет названия – сульфатный КЕК, солевой шлак или спек. Спек представляет из себя щелочную смесь сульфатов и карбонатов натрия в различных соотношениях с небольшим количеством (до 5%) других примесей [1].
В табл. 1, показан количественный состав анализируемого образца.
На основании полученных результатов можно сделать вывод, что при вскрытии продуктивных горизонтов на гидросолегелевом буровом растворе с сульфатным КЕКом, засорение пор породы коллектора будет минимальным. В случае загрязнения твердой фазой есть возможность проведения кислотной обработки, так как в роли конденсированной твердой фазы выступает кальцит, который хорошо растворяется в кислоте [2].
Твердая фаза также была рассмотрена под микроскопом (рис. 1).
Осложнения, связанные с потерей устойчивости ствола скважины при строительстве глубоких скважин, характерны для подсолевых структур. Это приводит к затяжкам, посадкам, проработкам, недоспускам обсадных колонн и каротажных снарядов, неудачным цементировкам колонн, разобщению пластов и даже к смятию обсадных колонн. Существует несколько причин, объясняющих это, например, возникновение уступов, искривление ствола скважины, желобообразование, или же обрыв корки достаточно толстой на проницаемых породах, а это ведет к возникновению дифференциального прихвата. Но наиболее распространенная причина этих осложнений — разупрочнение пород, которые взаимодействуют с буровым раствором, растворение и пластическое течение соленосных пород, а также разупрочнение терригенной части разреза. Все это ведет к удорожанию строительства скважины, поэтому выбор конструкции скважины на подсолевые залежи требует решения многих взаимосвязанных проблем и выполнения ряда ограничений [3–11]. При строительстве скважин разумным решением является отказ от спуска в скважину дополнительных колонн для перекрытия растворимых и неустойчивых пород с дальнейшей заменой их на хорошо подобранный по составу и совместимый с породой буровой раствор.
При увеличении объемов бурения глубоких скважин возникает острая необходимость в «гибкой технологии буровых растворов», обусловленной разнообразием геологических условий. Такая технология позволит подбирать рецептуры буровых растворов с использованием дешевых местных и недефицитных материалов – сырья и химических реагентов продуктов переработки производств» [4]. Примером служат безводные ИБР или гидрофобные эмульсии, но интерес преобладает именно в растрах на водной основе [12–20].
Глинистые растворы могут быть адаптированы к термосоле- и сульфидостойким условиям за счет огромного количества химических реагентов, а именно, использования солестойких глин, что является экономически нецелесообразным, объясняется это полисолевой средой, в которой глинистая фаза инертна и неактивна. Таким образом, возникает потребность в термосоле- и сульфидостойких буровых растворах на водной основе, обладающих улучшенными коллоидно-химическими свойствами по сравнению с природными глинистыми минералами [21–26].
«Теория Дерягина-Ландау-Фервея-Овербека (ДЛФО) с достаточно высокой точностью описывает процессы, происходящие в лиофобных системах, к которым относятся золи драгоценных металлов, металлоидов (серы, селена, теллура), солей и гидроксидов металлов (кальция, магния, железа, алюминия и т.д.), дисперсии полимерных материалов в воде (например, полистирола, фторолона). Теория объясняет стабилизацию систем благодаря ионно-электрическому взаимодействию между их компонентами. Зависимость имеет два минимума. Первому из них соответствует расстояние, при сближении на которое происходит прочное связывание частиц в агрегаты и, соответственно, агрегация системы. Второй минимум менее глубокий и характеризует R на котором возможно межмолекулярное взаимодействие. Сила его невелика – возникающие связи способны разрушаться при тепловом движении молекул, но оно может стать причиной дальнейшего сближения частиц» [1].
Существует два концептуальных подхода к получению дисперсных систем: 1) диспергационный (измельчение массивных образцов материалов до мелкодисперсных частиц неправильной формы, последующее введение в раствор требует длительного перемешивания);
2) конденсационный (главным принципом является равномерное перенасыщение дисперсной среды с помощью твердой фазы) [27]. Данные способы характеризуются обратимостью процессов, так как при изменении температуры раствор соли переходит в состояние перенасыщения, что приводит к росту кристаллов соли, при повышении температуры происходит обратный процесс. Третий способ создания дисперсных систем является необратимым, так как в качестве дисперсной фазы выступают частицы нового химического соединения, отличного по своим физико-химическим свойствам от веществ, вступивших в химическую реакцию, такой процесс возможен благодаря введению в раствор специальных реагентов (кислот, щелочей и др).
В научных трудах О.К. Ангелопуло [4] развернуто рассмотрены методы конденсирования для создания буровых растворов. Благодаря тиксотропной системе, сами по себе буровые растворы с конденсированной твердой фазой (далее БРКТФ) являются термодинамически неустойчивыми. Поэтому для их выработки требуются специализированные технологические приемы, призванные дополнительно стабилизировать систему и предупреждать признаки преждевременного агрегатного перехода («старения») [28–30].
Следовательно, можно утверждать, что приоритетной задачей при изготовке БРКТФ является получение соединений на основе смешения 2-х (нескольких) электролитов с меньшей, нежели чем исходные соединения растворимостью [31].
В соответствии с характером основного состава свойства полученных фаз подразделяют на солегели (фосфаты, карбонаты, дисперсии слаборастворимых солей-силикатов) и гидрогели (в конденсированной фазе— гидроксиды валентных металлов) [31–36].
Для определения возможного применения сульфатного КЕКа в качестве одного из основных компонентов буровых растворов были проведены исследования реологических параметров раствора, а также его фильтрационных показателей [1].
В процессе исследований приготовление буровых растворов выполнялось методом смешивания смесей осадкообразующих компонентов (растворы 1 и 2), образованных следующими химическими агентами: 1) раствор 1 – водный раствор хлористого кальция с добавлением полимерных реагентов; 2) раствор 2 – водный раствор содосульфатного КЕКа с добавлением полимерных реагентов.
Приготовление буровых растворов производилось в следующей последовательности:
1) В расчетном объеме теплой дистиллированной воды комнатной температуры (25±2 °С); °С производилось растворение полимерных реагентов;
2) Полученный полимер-водный раствор переливали в отдельную емкость (раствор 1) и осуществляли растворение в нем расчетного количества хлористого кальция;
3) В другой емкости растворяли необходимое количество содосульфатного КЕКа (раствор 2) и добавляли пеногаситель, а затем полимерные реагенты;
4) После приготовления растворов 1 и 2, к раствору 2 подливали при постоянном перемешивании раствор 1 маленькими порциями;
5) После стабилизации раствора добавили природный биополимер.
Ввиду значительных тиксотропных свойств, испытание бурового раствора проводилось после приготовления состава.
К буровым растворам, которые используются для вскрытия продуктивного пласта, предъявляют определенные требования, которым они должны соответствовать, чтобы данная операция прошла успешно:
• Водоотдача раствора должна быть низкой, иначе образуется достаточно мощная фильтрационная корка, которая затрудняет свободный спуск инструмента в скважину и приводит к другим осложнениям;
• Для предотвращения гидратации и набухания глин, раствору необходимо оказывать ингибирующее воздействие на глинистые минералы продуктивного пласта;
• Поверхностное натяжение раствора должно быть небольшим, также гидрофобизирующая способность должна быть обратимой, время, в течение которого буровой раствор находится в контакте с поверхностью вскрываемого бурением пласта, должно быть минимальным;
• Разность между забойным давлением и пластовым давлением (репрессия), возникающая от столба фильтрата, должна быть минимизирована;
• Скорость бурения должны быть высокой, за что отвечают параметры фильтрата. Раствор не должен быть слишком вязким, значения СНС и ДНС тоже не должны быть высокими;
• Зона кольматации должна формироваться очень быстро, но глубина проникновения фильтрата должна быть небольшой;
• Необходимо избежать пептизацию глинистых частиц, диспергирования, это обеспечивается параметрами бурового раствора.
Исходя из вышеперечисленных требований, предъявляемых к буровым растворам, необходимо проверять параметры жидкости, такие как фильтрационные характеристики, реологические, чтобы определить возможность применения содосульфатного КЕКа в качестве одного из основных компонентов для буровых растворов.
Испытания для каждого бурового раствора проводились с помощью следующих приборов:
• Замешивание раствора с помощью верхнеприводной высокоскоростной мешалки электронного типа.
• Определение водоотдачи раствора на приборе ВМ - 6.
• Определение плотности буровых промывочных жидкостей на ареометре.
• Исследование условной вязкости на СПВ – 5.
• Определение реологических параметров на вискозиметре FANN 35SA.
• Определение статического напряжения сдвига (СНС) на приборе СНС-2.
• Динамический высокотемпературный пресс-фильтр высокого давления (HPHT) OFITE для определения фильтрационных свойств раствора.
Для уменьшения погрешности и неточности, которые могут возникнуть в процессе опытов из-за человеческого фактора или недочетов в приготовлении и других причин, были сформулированы основные положения, которые были применены в данной работе:
1) Температура для проведения исследований должна быть около 25 °С (комнатная температура);
2) Для того чтобы определить влияние полимерных реагентов на водную смесь содосульфатного КЕКа были проведены опыты с каждым компонентом в разных концентрациях. Каждый раз концентрацию равномерно увеличивали для достижений высокой точности влияния каждого реагента;
3) Результатом исследования выступает сравнительный анализ итоговых замеров каждого параметра, причем, для определения итогового размера было сделано три измерения и найдено среднее арифметическое.
При экспериментальных исследованиях был проведен теоретический и сравнительный анализ свойств и функционала гелевых растворов, применяемых в процессе бурения нефтяных и газовых скважин. Наиболее подробно была рассмотрена тема промывочных жидкостей на основе реакции двух электролитов – солегелей, гидрогелей и гидросолегелей. Благодаря исследованию удалось выявить преимущества и недостатки растворов этого типа. Солегели и гидрогели имеют отличающиеся коллоидно-химические свойства и их регулирование тоже разное. Фаза в гидрогелях рентгеноаморфная (гелеобразная), а в солегелях она мелкокристаллическая. Однако и в гидрогелях, и в солегелях фаза с течением времени теряет свою агрегативную устойчивость. Так, например, после приготовления на первых этапах осадок имеет избыточную свободную энергию, так как обладает сильно развитой поверхностью. Это приводит систему в неустойчивое состояние, так как она не обладает стабильностью, и частицы начинают расти из-за процесса растворения частичек мелких фракций и потери первоначальной формы. Физические изменения приводят к химическим модернизациям системы, которая выражается в изменении сорбционной активности частичек, их дисперсности и формы, а, следовательно, в целом физико-химических свойств системы.
На основе положительных и отрицательных свойств гидрогелей и солегелей был предложен состав бурового раствора со смешанной формой конденсируемых дисперсий, который носит название гидросолегеля. В качестве дисперсной фазы выступает соосаждение солей и гидроксидов.
Для приготовления оптимального состава промывочной жидкости были проделаны опыты с растворами, имеющими следующую рецептуру:
На 50 мл воды добавлялось 20 г (20 %) сульфатного КЕКа, к нему при интенсивном перемешивании сразу добавляли полимер в качестве стабилизатора в начальном расчетном количестве 2 г (2 %). Далее раствор обрабатывали второй солью – 20 % водным раствором хлорида кальция, при этом структура раствора менялась моментально.
Результаты исследований по подбору полимеров:
1) На 50 мл воды (20 г КЕКа + 2 г полимера КМЦ) + 50 мл воды с 20 г CaCl2
«Спустя сутки раствор тиксотропен и стабилен. КМЦ образует большое число водородных связей со средой раствора и частичками его твердой фазы. Водородные связи относятся к числу связей, обладающих малой энергией, что препятствует формированию в поровом пространстве трудноудаляемых полимерных пленок. Помимо этого, КМЦ обладает хорошей устойчивостью к бактериологическому и термическому разложению, а также к воздействию растворов, используемых для получения твердой фазы, солей» [1].
2) На 50 мл воды (20 г КЕКа + 2 г полимера ГЭЦ[Natrosol]) + 50 мл воды с 20 г CaCl2
Спустя сутки раствор тиксотропен и стабилен.
3) На 50 мл воды (20 г КЕКа + 2 г ксантановой камеди) + 50 мл воды с 20 г CaCl2
Раствор слишком вязкий, неоднородный. Полимер не связал раствор, он расслоился.
4) На 50 мл воды (20 г КЕКа + 2 г Bioxan) + 50 мл воды с 20 г CaCl2
Спустя сутки раствор потерял стабильность и расслоился, однородность не наблюдалась.
Можно подвести итог, что для дальнейших испытаний разрабатываемого раствора необходимо использовать полимеры КМЦ и ГЭЦ.
При правильно подобранной концентрации КМЦ можно добиться хороших показателей реологических и технологических параметров промывочных жидкостей. При помощи приборов ВМ-6 и СПВ-5 были проделаны несколько опытов для определения параметров раствора.
На основе проведенных экспериментов были составлены зависимости, представленные на рис. 2–5.
Буровой раствор с конденсированной твердой фазой. в зависимости от концентрации КМЦ имеет различные физико-химические свойства. С ростом содержания КМЦ раствор сильно загущается. Оптимальная вязкость раствора наблюдается при 1–1,5 % КМЦ, в растворе, однако водоотдача раствора слишком велика и составляет 15 и 13 см3/30 мин. соответственно.
Оптимальная вязкость ГЭЦ наблюдается при содержании 1,5–2 %, при этом при увеличении концентрации полимера водоотдача снижается.
На основании опытов и результатов, проведенных с разрабатываемым раствором, было принято решение провести исследования при добавлении обоих полимеров, чтобы получить эффективный буровой раствор для вскрытия пласта с низкой водоотдачей.
КМЦ – 1 %, ГЭЦ – 2 %,
при данной рецептур раствор был сильно насыщен газом, поэтому был добавлен пеногаситель (1 %).
Порядок приготовления раствора на 100 мл:
1. В 50 мл воды разводят 20 г КЕКа;
2. Добавляют 1 г пеногасителя;
3. Полимеры КМЦ (1г) и ГЭЦ (2г) добавляются к водному раствору КЕКа для его стабилизации;
4. Добавляют водный раствор хлорид кальция (на 50мл воды 20 г CaCl2) к пробирке с КЕКом при интенсивном перемешивании.
Раствор начнет менять свою структуру сначала на густую гелеобразную, потом разжижается (рис. 6).
Для наглядного представления о важности стабилизатора в растворах на гелевой основе (рис. 6): в первой емкости находится водный раствор сульфатного КЕКа, во второй и в третьей пробирке уже готовые гидросолегелевые растворы, но третья пробирка без ввода в раствор стабилизатора, поэтому устойчивость дисперсионной системы падает и частицы начинают осаждаться. Во второй емкости имеется стабилизатор, который не дает твердой фазе укрупняться в агрегаты и терять седиментационную устойчивость.
Дальнейшие исследования раствора проводились с помощью приборов: ротационный вискозиметр FANN 35SA; фильтр-пресс высокого давления (HPHT) OFITE; ареометр; рН-метр.
Результаты испытания раствора (табл. 2).
Получившийся гидросолегелевый раствор имеет допустимые характеристики и реологические параметры. Он также имеет хорошие блокирующие свойства благодаря высокой тиксотропности. На забое скважины состав будет переходить в нетекучее гелеобразное состояние, однако процесс обратим при механическом воздействии. Более крупный размер частиц твердой фазы, по сравнению с глинистым составом, и высокая структурированность раствора формируют блокирующий экран при малой глубине проникновения частиц в поровое пространство.
При добавлении к разработанному раствору 0,7 г крахмала удалось снизить водоотдачу до 2 см3/30 мин. При большей концентрации крахмала раствор сильно загущался.
Рассматриваемый вопрос возможности применения сульфатного КЕКа в составе технологических жидкостей является перспективным, актуальным и экономически целесообразным, так как он в перспективе способствует реализации исследуемого продукта в промышленных масштабах. В данной работе были рассмотрены вопросы, связанные с применением КЕКа в научно-исследовательских целях. В лабораторных условиях проведен компонентный анализ КЕКа, было установлено, что он может выступать в качестве утяжелителя для буровых растворов, регулировать pH жидкости и способен изменять структурно-реологические свойства, находясь в составе технологических жидкостей.
На основе КЕКа и хлористого кальция разработан состав бурового раствора с тиксотропными свойствами с конденсированной твердой фазой для бурения в неустойчивых отложениях. Кроме того, следует отметить, что данный гидросолегелевый раствор характеризуется наличием хороших блокирующих свойств.
Рассматриваемый вопрос возможности применения сульфатного КЕКа в составе технологических жидкостей является перспективным, актуальным и экономически целесообразным, так как он в перспективе способствует реализации исследуемого продукта в промышленных масштабах. В данной работе были рассмотрены вопросы, связанные с применением КЕКа
в научно–исследовательских целях. В лабораторных условиях проведен компонентный анализ КЕКа, было установлено, что он может выступать в качестве утяжелителя для буровых растворов, регулировать pH жидкости и способен изменять структурно–реологические свойства, находясь
в составе технологических жидкостей.
в научно–исследовательских целях. В лабораторных условиях проведен компонентный анализ КЕКа, было установлено, что он может выступать в качестве утяжелителя для буровых растворов, регулировать pH жидкости и способен изменять структурно–реологические свойства, находясь
в составе технологических жидкостей.
