СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ БУРОВОГО РАСТВОРА Российский патент 1994 года по МПК C09K7/02 

Изобретение предназначено для использования при бурении скважин в геологоразведочной, нефте- и газодобывающей отраслях.

Известны способы приготовления буровых растворов посредством смешения силикатного компонента - глинопорошка, карбоксиметилцеллюлозы и воды [1] . Однако приготавливаемые такими способами буровые растворы можно использовать только до температуры в скважинах 120^оС.

Известен способ приготовления бурового раствора, при котором в качестве ингибитора термоокислительной деструкции в буровой раствор вводят дополнительно жидкое стекло в количестве 2,0-5,0 мас. % . Приготовленный по такому способу буровой раствор сохраняет свои технологические свойства при существенно более высоких температурах [2] . Однако глинопорошки имеют значительные отклонения в своем химико-минералогическом составе, свойства жидкого стекла изменяются во времени, что не позволяет приготавливать буровые растворы со стабильными свойствами. Кроме того, для получения жидкого стекла по применяемым способам необходимы значительные затраты энергии.

Целью изобретения является повышение стабильности свойств бурового раствора, уменьшение энергетических затрат на его приготовление и расширение сырьевой базы.

Для достижения указанной цели берут в качестве порошкообразного силикатного компонента тонкодисперсный кремнезем (ТК), часть его, гидроксид натрия и часть воды перемешивают и нагревают до 80-85^оС, а после окончания реакции и образования жидкого стекла смешивают его с остальными частями ТК и воды и обрабатывают полученный состав водным раствором карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) при следующем соотношении ингредиентов, мас. % :
ТК 5,7-16,8
гидроксид натрия 0,42-1,06
КМЦ 0,3-2,0
вода остальное
При приготовлении бурового раствора по предлагаемому способу достигается высокая стабильность его свойств, поскольку в отличие от глин, отбираемых из различных мест в карьерах и имеющих значительный разброс химико-минералогического состава, используемый тонкодисперсный кремнезем (отход производства алюминиевой промышленности) имеет весьма узкие пределы изменения доли основного компонента.

Жидкое стекло, которое используют в качестве реагента для буровых растворов, получают посредством сплавления кварцевого песка и гидроксида натрия при 1400-1500^оС с последующим растворением полученного продукта - силикат-глыбы в воде, что осуществляется в автоклавах под давлением с использованием острого пара. Жидкое стекло имеет при этом плотность 1480-1520 кг/м³ (Сосненко М. Н. Приготовление формовочных и стержневых смесей. М. : Высшая школа, 1972, с. 68). Данная технология значительно сложнее, чем предлагаемая, и требует существенных затрат энергии.

П р и м е р. Для получения по предлагаемому способу бурового раствора были взяты пробы тонкодисперсного кремнезема (ТК) - отхода производства Братского алюминиевого завода, гидроксид натрия и карбоксиметилцеллюлозу (КМЦ-600).

ТК имел следующий химический состав, мас. % : SiO₂ 95; SiC 2,3; CaO 0,8; Fe₂O₃ 0,6; K₂O+Na₂O 0,9; Al₂O₃ 0,2; вода остальное; его удельная поверхность 940 м²/кг.

Приготовление бурового раствора по предлагаемому способу осуществляли в следующем порядке. Вначале смешивали подобранные по расчету количества воды и гидроксида натрия и нагревали их до 80-85^оС, после чего при помешивании лопаткой добавляли необходимое количество ТК.

Смешиваемые вещества вступали в химическую реакцию с образованием жидкого стекла. Вследствие того, что данная реакция идет с выделением тепла, температура возрастала до 105-110^оС.

Затем полученное жидкое стекло смешивали с расчетными количествами воды и ТК, после чего этот состав обрабатывали заранее приготовленным водным раствором КМЦ. У полученного таким способом бурового раствора после перемешивания его в течение двух часов в пропеллерной мешалке со скоростью вращения ее вала 1400 об/мин измеряли технологические свойства. Полученные результаты представлены в таблице.

Граничные значения количеств компонентов в буровом растворе, приготовленном по предлагаемому способу, найдены исходя из следующего. При вводе КМЦ более 2,0 мас. % водоотдача не снижается, поэтому это количество принято за верхний предел. Минимальное его количество (0,3 мас. % ) принято в связи с тем, что при дальнейшем уменьшении доли этого реагента водоотдача превышает величину 10 см³/30 мин.

Диапазон изменений количеств жидкого стекла, повышающего термостойкость системы, принят 2-5 мас. % , как это обосновано и рекомендовано в книге Городнова В. Д. Буровые растворы. М. : Недра, 1985, с. 182. Из этих количеств исходили при выборе предельных значений гидроксида натрия (0,42-1,06 мас. % ), входящего в состав получаемого жидкого стекла по предлагаемому способу.

При выборе граничных значений ТК исходили из того, что минимальное его количество должно давать статическое напряжение сдвига (СНС₁) выше 0 дПа, максимальное количество - исходя из условий экономичности. Кроме того, с увеличением количества твердой фазы ухудшается работа гидравлических забойных двигателей, снижается проходка на долото и механическая скорость бурения, ухудшается очистка бурового раствора от выбуренной породы. Такие значения получены при вводе ТК в количестве 6,8-16,8 мас. % . При этих значениях величин учтено также количество ТК, которое необходимо для получения жидкого стекла.

Таким образом, исходя из результатов экспериментов и приведенных обоснований принимают следующие граничные значения ингредиентов, мас. % :
тонкодисперсный кремне-
зем (ТК) 5,7-16,8
гидроксид натрия 0,42-1,06
карбоксиметилцеллю-
лоза (КМЦ) 0,3-2,0
вода остальное
Результаты экспериментальных исследований, проведенных при разработке бурового раствора по предлагаемому способу, показывают, что он по своим технологическим свойствам удовлетворяет требованиям бурения скважин в различных горно-геологических условиях.

Преимущества бурового раствора: высокая стабильность состава силикатного компонента (ТК), в котором преобладает кремнезем - термостойкое вещество, обеспечивающее одновременно и постоянство свойств бурового раствора; более низкие, чем у применяемых в настоящее время, затраты энергии на получение жидкого стекла; расширяется сырьевая база для приготовления буровых растворов за счет использования крупнотоннажного отхода - тонкодисперсного кремнезема, которого накапливается только на Братском алюминиевом заводе более 30 тыс. т ежегодно; более высокая технологичность приготовления бурового раствора, поскольку к месту применения будут завозиться все компоненты только в сухом виде (ТК, гидроксид натрия, КМЦ), а жидкое стекло, содержащее воду, образуется непосредственно в процессе приготовления бурового раствора.

Высокая твердость, а следовательно недиспергируемость твердой фазы - кремнезема, способствует, в отличие от глин, сохранению в течение длительного времени бурения скважины первоначально полученных свойств бурового раствора.

При длительном хранении жидкого стекла перед применением, как это имеет место при известных способах приготовления буровых растворов, оно теряет свои технологические свойства. Использование же предлагаемого способа более эффективно, поскольку данный реагент после приготовления сразу же вводится в буровой раствор.

Тонкодисперсный кремнезем является отходом производства и его использование позволит исключить загрязнение окружающей среды.

Существенными отличиями получаемого по предлагаемому способу бурового раствора, позволяющими получить положительный эффект, являются: впервые жидкое стекло получено непосредственно в процессе приготовления бурового раствора и при значительно меньших энергетических затратах (по заявляемому изобретению необходим нагрев до 80-85^оС против 1400-1500^оС при используемых в настоящее время способах); тонкодисперсный кремнезем используется и как компонент для получения реагента - жидкого стекла, и как твердая фаза бурового раствора, что значительно упрощает приготовление последнего.

Использование: бурение нефтяных и газовых скважин. Сущность: способ приготовления бурового раствора осуществляют следующим образом: в воде растворяют гидроксид натрия и нагревают раствор до 80 - 85С. В нагретый раствор при перемешивании вводят часть тонкодисперсного кремнезема для получения жидкого стекла. Полученное жидкое стекло смешивают с оставшейся частью тонкодисперсного кремнезема и водным раствором реагента-стабилизатора. В качестве реагента-стабилизатора используют карбоксиметилцеллюлозу. При этом вышеперечисленные ингредиенты используют при следующем соотношении, мас. % : тонкодисперсный кремнезем 5,7 - 16,8; гидроксид натрия 0,42 - 1,06; карбоксиметилцеллюлоза 0,3 до 2,0, вода остальное. 1 табл.

СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ БУРОВОГО РАСТВОРА, включающий введение в воду силикатного компонента и карбоксиметилцеллюлозы, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности свойств бурового раствора при одновременном снижении энергетических затрат при его приготовлении и расширении сырьевой базы перед введением в воду, часть силикатного компонента обрабатывают водным раствором гидроксида натрия при 80 - 85^oС до образования жидкого стекла, при этом в качестве силикатного компонента используют тонкодисперсный кремнезем в количестве 5,7 - 16,8% от общей массы раствора, а гидроксид натрия и карбоксиметилцеллюлозу используют соответственно в количестве 0,42 - 1,06 и 0,3 - 2,0% от общей массы бурового раствора.