БЕЗГЛИНИСТЫЙ БУРОВОЙ РАСТВОР Российский патент 1994 года по МПК C09K7/02 

Изобретение относится к области бурения скважин на нефть, газ и воду, в частности к безглинистым буровым растворам, применяемым для промывки скважин в процессе бурения и вскрытия продуктивных пластов в условиях, осложненных осыпями и обвалами глин и аргиллитов и(или) поступлением в ствол скважины высокоминерализованных пластовых вод.

В настоящее время известны высокоминерализованные буровые растворы, в которых для регулирования их свойств применяют технические лигносульфонаты [1] . Буровые растворы, содержащие 20-40% ССБ (сульфит-спиртовой барды) и 20-25% соли, имеют низкие значения показателя фильтрации и высокую устойчивость к воздействию полисолевой минерализации.

В то же время эти известные растворы имеют высокую вязкость, низкие флокулирующие свойства, что приводит к накоплению выбуренной породы в буровом растворе и переходу их в глинистые буровые растворы или буровые растворы на основе выбуренной породы и, следовательно, к резкому снижению скорости механического бурения и проходки на долото.

Наряду с указанным, низкие значения показателя фильтрации известный буровой раствор имеет только при высоком содержании в нем солей (20-25% ) и концентрации лигносульфонатов не менее 20% . В связи с этим известные буровые растворы имеют повышенные значения плотности ( ρ = 1180 кг/м³ и более), что ограничивает область их применения, так они применимы при пластовых давлениях, равных и ниже гидростатических.

Кроме того, известные буровые растворы затрудняют проведение цементирования скважин, так как при контакте цементного раствора с буровым раствором, содержащим лигносульфонаты в указанных концентрациях, значительно замедляются сроки схватывания цемента, и цементный камень может вообще не образоваться.

Известен также безглинистый буровой раствор, содержащий соль лигносульфоната и оксид магния при их соотношении 10: 1-7,5: 1 и содержании в буровом растворе 1,03-1,43 [2] .

Указанный известный безглинистый буровой раствор имеет высокие флокулирующие свойства, обеспечивающие быстрое осаждение выбуриваемой породы на поверхности после выхода раствора из скважины.

В то же время безглинистые буровые растворы, обработанные комплексным реагентом на основе лигносульфоната и оксида магния, при вышеуказанном их соотношении, имеют высокие значения показателя фильтрации и низкую устойчивость к воздействию полисолевой минерализации.

Наиболее близким из числа известных к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому результату является безглинистый буровой раствор, содержащий гидроксиэтилцеллюлозу, оксид магния и кальциевую соль лигносульфоната, при содержании MgO в буровом растворе 0,1-0,15 мас. % и при соотношении оксида магния и гидроксиэтилцеллюлозы 1: 3 [2] .

Указанный буровой раствор устройчив к воздействию полисолевой минерализации, т. е. сохраняет регулируемые значения показателя фильтрации при воздействии солей калия, натрия, кальция, магния или пластовых вод высокой минерализации.

В то же время этот известный раствор имеет низкие флокулирующие свойства, что приводит к накоплению выбуренной породы в буровом растворе и переходу его в глинистый, что вызывает снижение проходки на долото и механической скорости бурения.

Одновременно с этим этот известный раствор имеет высокие реологические показатели, снижающие величину гидравлической мощности, подводимой к забойному двигателю и насадка долота, в связи с чем снижаются показатели бурения и полнота удаления шлама с забоя скважины.

Кроме того, после полного удаления из раствора твердой фазы показатели раствора ухудшаются (повышается показатель фильтрации), т. е. известный буровой раствор неустойчив к воздействию выбуренной породы.

Цель изобретения - повышение флокулирующих свойств безглинистого бурового раствора, снижение его реологических показателей при одновременном повышении устойчивости фильтрационных свойств к воздействию полисолевой минерализации и к выбуренной породе.

Цель достигается тем, что известный безглинистый буровой раствор, содержащий полимер, оксид магния, лигносульфонат и воду, дополнительно содержит сульфат алюминия, в качестве полимера раствор содержит полиакриламид, а в качестве лигносульфоната - немодифицированный лигносульфонат, при следующем соотношении ингредиентов, мас. % :
Полиакриламид 0,02-0,04
Оксид магния 0,3-1,0
Немодифицированный лиг-
носульфонат 2,0-4,5
Сульфат алюминия 0,005-0,04
Вода Остальное
Благодаря введению в буровой раствор, содержащий полимер, оксид магния, лигносульфонат и воду, дополнительно сульфата алюминия и использования в качестве полимера полиакриламида в предложенном количественном соотношении ингредиентов оказалось возможным при повышении устойчивости фильтрационных свойств буpового раствора к воздействию полисолевой минерализации и к выбуренной породе повысить его флокулирующие свойства и снизить реологические показатели.

Это обусловлено тем, что в присутствии сульфата алюминия проявляется синергетический эффект взаимодействия технического лигносульфоната с оксидом магния и полиакриламидом, что и обеспечивает высокие флокулирующие свойства бурового раствора, его низкие реологические показатели, стабильность фильтрационных показателей бурового раствора в условиях воздействия высокой минерализации, т. е. даже при насыщении бурового раствора солями калия, кальция, натрия или магния или при поступлении в буровой раствор пластовых вод с полисолевой минерализацией, а также после осаждения из раствора выбуренной породы.

Заявляемое сочетание ингредиентов и их количественное соотношение не известно ни из патентной, ни из научно-технической литературы. Следовательно, заявляемое техническое решение отвечает критерию "новизна".

Кроме того, из существующего уровня техники не известно, что входящие в предлагаемый буровой раствор ингредиенты с очевидностью обеспечивают достижение поставленной технической задачи, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого бурового раствора критерию "изобретательский уровень".

Наряду с указанным, предлагаемое техническое решение также отвечает критерию "промышленная применимость", так как практически предлагаемый раствор может быть использован при строительстве скважин на предприятиях нефтедобывающей промышленности уже в настоящее время.

Для получения заявляемого безглинистого бурового раствора в лабораторных условиях были использованы следующие вещества:
- техническая вода с жесткостью менее 3 мг-экв/л;
- пластовая вода плотностью 1180 кг/м³ с общей минерализацией 251,4 г/л и следующим содержанием ионов, г/л: Cl^- 163,61; SO₄^-2 0,207; HCO₃^- 0,256; Ca⁺² 31,6; Mg⁺² 4,54; Na⁺+K⁺ 61,22;
- лигносульфонат технический по ТУ 13-0281036-15-90;
- полиакриламид (ПАА) отечественого производства ТУ 6-01-1049-76;
- полиакриламид марки POLY KEM Di американского производства, сухое порошкообразное вещество;
- полиакриламид марки ACCOTROL японского производства, сухое порошкобразное вещество белого цвета;
- оксид магния, ГОСТ 1216-75, порошок белого цвета;
- сульфат алюминия, ГОСТ 3758-75, порошок белого цвета;
- хлорид калия по ГОСТ 4234-77; хлорид кальция по ГОСТ 450-77; хлорид магния по ТУ 05-01-2-76.

П р и м е р. Для приготовления предлагаемого бурового раствора брали 0,03 г ПАА, 0,75 г оксида магния, 3,0 г лигносульфоната, 0,1 г сульфата алюминия и 96,12 г пластовой воды плотность 1180 кг/м³, все ингредиенты перемешивали и получали предлагаемый буровой раствор со следующим содержанием ингредиентов, мас. % : лигносульфонат 3,0; MgO 0,75; ПАА 0,03; Al₂(SO₄)₃ 0,01 и вода остальное.

Аналогичным образом готовили другие составы предлагаемого безглинистого бурового раствора с различным соотношением ингредиентов.

В ходе лабораторных исследований определяли следующие свойства предлагаемого бурового раствора: плотность ( ρ, кг/м³), условную вязкость (УВ₁₀₀, с), показатель фильтрации (Ф, см³ за 30 мин), динамическое напряжение сдвига ( τ _о, дПа), пластическую вязкость ( η , мПа. с), исследовали флокулирующие свойства безглинистого бурового раствора, замеряли показатель фильтрации, условную вязкость, пластическую вязкость и динамическое напряжение сдвига после воздействия и удаления выбуренной породы.

В ходе лабораторных исследований изучали эти же показатели у известных по аналогу и прототипу безглинистых буровых растворов.

Данные об ингредиентном составе предлагаемого и известных по аналогу и прототипу безглинистых буровых растворов и показателях свойств этих растворов после приготовления и после воздействия и удаления из них выбуренной породы приведены в табл. 1.

Исследование флокулирующих свойств безглинистых буровых растворов и оценку устойчивости фильтрационных и реологических свойств к воздействию выбуренной породы проводили по следующей методике. После приготовления бурового раствора замеряли его показатели, добавляли в раствор 5% глинопорошка, перемешивали 10 мин на лабораторной мешалке со скоростью 1000 об/мин и наливали в три мерных цилиндра объемом по 100 мл, имеющих отверстия по середине, закрытые пробкой, включали секундомер и замеряли плотность верхней половины раствора через 5, 30 и 60 мин. По изменению плотности бурового раствора во времени судили о скорости осаждения твердой фазы, т. е. о флокулирующих свойствах буровых растворов.

После осаждения из раствора твердой фазы снова замеряли показатели свойств бурового раствора. По изменению этих показателей судили об устойчивости безглинистых буровых растворов к воздействию выбуренной породы.

Данные о флокулирующих свойствах известного по прототипу и предлагаемого буровых растворов приведены в табл. 2.

Данные, приведенные в табл. 1 и 2, показывают, что предлагаемый безглинистый буровой раствор при следующем соотношении ингредиентов, мас. % :
Полиакриламид 0,02-0,04
Оксид магния 0,3-1,0
Лигносульфонат 2,0-4,5
Сульфат алюминия 0,005-0,04
Вода Остальное,
имеет низкие значения показателя фильтрации (3-8 см³ за 30 мин), низкие значения реологических свойств ( η = 1,5-4,5 мПа. с; τ _о= 0-3 дПа), высокую устойчивость к воздействию полисолевой минерализации, в том числе и при насыщении его хлоридами калия, натрия, кальция, магния.

Предлагаемый буровой раствор имеет высокие флокулирующие свойства, так как практически вся выбуренная порода, поступающая в раствор, осаждается в течение 5 мин. При этом предлагаемый буровой раствор обладает высокой устойчивостью фильтрационных и реологических свойств к воздействию выбуренной породы (после удаления твердой фазы показатели свойств бурового раствора остаются без изменений).

Указанные технические преимущества предлагаемого бурового раствора при его использовании в производственных условиях позволят: повысить показатели работы долот (повысить проходку на долото и механическую скорость бурения на 20-25% ) за счет высоких флокулирующих свойств бурового раствора и низких значений реологических свойств; снизить в 3-8 раз стоимость бурового раствора за счет снижения расхода химических реагентов, в частности, полимерного реагента на приготовление и обработку раствора; увеличить межремонтный период работы забойных двигателей в 2 раза за счет низкого содержания твердой фазы в буровом растворе (ввиду высоких флокулирующих свойств предлагаемого бурового раствора). (54) 1. Кистер Э. О. Химическая обработка буровых растворов. М. : Недра, 1972, с. 355-357.

2. Патент Великобритании N 1420650, кл. С 09 К 7/02, 1976.

Использование: бурение скважин, в частности относится к безглинистым буровым растворам, применяемым для промывки скважин в процессе бурения и вскрытия продуктивных пластов в условиях, осложненных осыпями и отвалами глин и аргилитов и(или) поступлением в ствол скважин высокоминерализованных пластовых вод. Сущность: безглинистый буровой раствор содержит, мас. % : полиакриламид 0,02 - 0,04; оксид магния 0,3 - 1,0; немодифицированный лигносульфонат 2,4 - 4,5; сульфат алюминия 0,005 - 0,040 и вода остальное. 2 табл.

БЕЗГЛИНИСТЫЙ БУРОВОЙ РАСТВОР, содержащий водорастворимый полимер, оксид магния, немодифицированный лигносульфонат и воду, отличающийся тем, что он дополнительно содержит сульфат алюминия, в качестве водорастворимого полимера он содержит полиакриламид при следующем соотношении ингредиентов, мас. % :
Полиакриламид 0,02 - 0,04
Оксид магния 0,3 - 1,0
Немодифицированный лигносульфонат 2,0 - 4,5
Сульфат алюминия 0,005 - 0,040
Вода Остальное