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

Изобретение относится к бурению геологоразведочных и нефтяных скважин и предназначено для их промывки.

Известен реагент для приготовления бурового раствора, включающий гидролизованный акриловый полимер, например гипан, наполнитель, в качестве которого используют сажу, и воду [1]. Такой реагент является стабилизатором бурового раствора. Однако из-за того, что сажа является инертным наполнителем, стабилизирующие свойства реагента низки. Это влечет возникновение осложнений, вызванных обвалами неустойчивых пород ввиду высокой водоотдачи, или обуславливает большой расход реагента, необходимый для ее снижения. Кроме того, полученный на основе реагента буровой раствор обладает низкими псевдопластичными свойствами. Это проявляется в том, что буровой раствор характеризуется низкой способностью разжижаться при высоких скоростях сдвига и загустевать по мере их снижения, что обуславливает низкую эффективность промывки скважин.

Наиболее близким к изобретению является реагент для приготовления бурового раствора, включающий акриловый полимер, например гипан, наполнитель, в качестве которого используют торф и воду [2]. В силу того, что торф является активным наполнителем, стаблизирующие свойства реагента более высоки. Однако полученный на его основе буровой раствор также характеризуется низкими псевдопластичными свойствами, что обуславливает низкую эффективность промывки скважин.

Целью изобретения является улучшение псевдопластичных свойств бурового раствора.

Это достигается тем, что реагент для приготовления бурового раствора, содержащий гипан, наполнитель и воду, в качестве наполнителя содержит сапропель при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: Гипан 1-2 Сапропель 10-20 Вода Остальное
Гипан выпускается в соответствии с ТУ 6-01-166-84. Он представляет собой 10%-ный водный раствор гидролизованного полиакрилонитрила. Это - вязкая жидкость желтовато-коричневого цвета с запахом аммиака плотностью 1100 кг/м³, хорошо растворимая в воде.

Сапропель представляет собой тонкоструктурные коллоидальные отложения водоемов, содержащие органические и минеральные компоненты биогенного и привносного характера. Добычу сапропелей из водоемов (озер) осуществляют гидромеханизированным способом их экскавации земснарядами в сочетании с гидротранспортом по трубопроводам. Применяются сапропели в качестве удобрения в сельском хозяйстве, а также при бурении скважин в качестве структурообразователя и стабилизатора буровых растворов для облегчения цементных растворов.

Сапропели бывают органического, кремнеземистого и карбонатного типа в зависимости от состава органической и минеральной части. Для получения предложенного реагента может быть использован любой из этих сапропелей.

Использовали органический сапропель озера Судобль, кремнеземистый сапропель озера Червоное, карбонатный сапропель озера Вечер.

Органическая часть органического сапропеля содержит 5% битумов, 25% легкогидролизуемых веществ, 31,1% гуминовых веществ, 10,2% трудногидролизуемых веществ. Негидролизуемый остаток составляет 30,1%. Содержание углерода составляет 58,4%, водорода 7,3%, азота 5,9%, кислорода 28,3%. Органический сапропель содержит следующие минеральные вещества, %: CO₂ 2,0; SiO₂ 7,4; Al₂O₃ 1,0; Fe₂O₃ 2,3; CaO 1,1; MgO 0,3.

Органическая часть кремнеземистого сапропеля содержит 4,6% битумов, 27,3% легкогидролизуемых веществ, 29,4% гуминовых веществ, 8,9% трудногидролизуемых веществ. Негидролизуемый остаток составляет 28,8%. Содержание углерода составляет 52,3%, водорода 6,7%, азота 4,1, кислорода 36,6%. Кремнеземистый сапропель содержит следующие минеральные вещества, %: CO₂ 3,2; SiO₂ 33,9; Al₂O₃ 1,1; Fe₂O₃ 3,6; CaO 1,3; MgO 0,2.

Органическая часть карбонатного сапропеля содержит 3,2% битумов, 18,2% легкогидролизуемых веществ, 58,8% гуминовых веществ, 4% трудногидролизуемых веществ. Негидролизуемый остаток составляет 20,5% . Содержание углерода составляет 55,8% , водорода 7,8%, азота 4%, кислорода 31,7%. Карбонатный сапропель содержит следующие минеральные вещества,%: СО₂ 20,5; SiO₂ 22,8; Al₂O₃ 3,2; Fe₂O₃ 11,5; CaO 21,9; MgO 1,1.

Экспериментальные работы выполнены путем оценки обычно измеряемых характеристик бурового раствора с использованием общепринятых методик и приборов. Готовили реагент, который затем вводили в суспензию бентонита. Плотность (ρ ) измеряли пикнометрическим методом; условную вязкость (УВ) - с помощью воронки ВБР - 1; водоотдачу (В) - на приборе ВМ - 6; статическое напряжение сдвига через 1 и 10 мин (СНС_1/10) - на приборе СНС - 2, эффективную вязкость (η_эф) при разных скоростях сдвига - на приборе Реотест. Псевдопластичные свойства устанавливаются по интенсивности уменьшения эффективной вязкости по мере увеличения скорости сдвига. Критерием псевдопластичности служит отношение η_{эф.макс} (при скорости сдвига 3 с^-1 и η_эф.мин (при скорости сдвига 437 с^-1).

П р и м е р 1. Реагент N 1 готовят следующим образом.

В 840 г воды растворяют 80 г 10%-ного гипана (8 г сухого гипана и 72 г воды) и перемешивают до получения однородного раствора. Вносят 80 г органического сапропеля и вновь перемешивают до получения однородной суспензии. Полученный реагент имеет следующий состав,%: гипан 0,8; сапропель 8; вода 91,2.

Готовят суспензию бентонита в количестве 750 г. Для этого в 720 г воды диспергируют 30 г бентонита.

Реагент в количестве 250 г добавляют к 750 г суспензии бентонита и перемешивают до получения однородного бурового раствора. Полученный раствор имеет следующий состав, мас.%: реагент - 25 (гипан 0,2; сапропель 2,0; бентонит 3; вода остальное.

Он характеризуется следующими свойствами: ρ= 1030 кг/м³; УВ = 28 с; В = 6 см³; СНС_1/10 = 6/8 gПа; η_эф = 460; 171; 102; 70; 52; 48 мПа˙с соответственно при скоростях сдвига 3; 9; 27; 81; 243; 437 с^-1; отношение η_{эф.макс}кη_эф.мин.составляет 9,75.

П р и м е р 2. Реагент N 2 готовят следующим образом.

В 800 г воды растворяют 100 г 10%-ного гипана (10 г сухого гипана и 90 г воды) и перемешивают до получения однородного раствора. Вносят 100 г органического сапропеля и вновь перемешивают до получения однородной суспензии. Полученный реагент имеет следующий состав, мас.%: гипан 1,0; сапропель 10; вода 89.

Готовят суспензию бентонита в количестве 900 г. Для этого в 870 г воды диспергируют 30 г бентонита.

Реагент в количестве 100 г добавляют к 900 г суспензии бентонита и перемешивают до получения однородного бурового раствора. Полученный раствор имеет следующий состав, мас.%: реагент 10 (гипан 0,1; сапропель 1,0), бентонит 3, вода остальное. Он характеризуется следующими свойствами: ρ= 1020 кг/м³; УВ = 32 с; В = 7 см³; СНС_1/10 = 6/8 gПа; η_эф. = 1225; 606; 407; 165; 80; 48 мПа˙с соответственно при скоростях сдвига 3, 9, 27, 81, 243, 437 с^-1; отношение η_{эф.макс}кη_эф.мин составляет 25,52.

П р и м е р 3. Реагент N 3 готовят следующим образом.

В 700 г воды растворяют 150 г 10%-ного раствора гипана (15 г сухого гипана и 135 г воды) и производят перемешивание до получения однородного раствора. Вносят 150 г карбонатного сапропеля и вновь перемешивают до получения однородной суспензии. Полученный реагент имеет следующий состав, мас;%: гипан 1,5; сапропель 15; вода 83,5.

Готовят суспензию бентонита в количестве 800 г. Для этого в 770 г воды диспергируют 30 г бентонита.

Реагент в количестве 200 г добавляют к 800 г суспензии бентонита и перемешивают до получения однородного бурового раствора. Полученный раствор имеет следующий состав, мас.%: реагент 20 (гипан 0,3, сапропель 3,0), бентонит 3, вода остальное. Он характеризуется следующими свойствами: ρ= 1030 кг/м³; УВ = 36 с; В = 5 см³; СНС_1/10 = 12/15 gПа; η_эф = 3711, 1625, 612, 223, 94, 69 мПа˙с соответственно при скоростях сдвига 3; 9; 27, 81, 243, 437 с^-1; отношение η_{эф.макс.}кη_эф.мин.составляет 53,78.

Реагент N 3 в количестве 200 г добавляют к 800 г воды и перемешивают до получения однородного безглинистого бурового раствора. Полученный раствор имеет следующий состав, мас.%: реагент 20 (гипан 03; сапропель 3,0), вода остальное. Он характеризуется следующими свойствами: ρ= 1010 кг/м³; УВ = 20 с; В = 18 см³; СНС_1/10 = 0/0; η_эф = 41; 15; 8; 5; 3; 2 мПа˙с соответственно при скоростях сдвига 3; 9. 27; 81; 243; 437 с^-1; отношение η_{эф.макс.}кη_эф.мин. составляет 20,5.

Реагент N 3 в количестве 200 г добавляют к 800 г полимерного раствора, содержащего 5 г КМЦ-600, и перемешивают до получения однородного раствора. Полученный полимерный буровой раствор имеет следующий состав, мас.%: реагент 20 (гипан 0,3; сапропель 3,0). КМЦ-600 0,5; вода остальное. Он характеризуется следующими свойствами: ρ= 1010 кг/м³; УВ = 23 с; В = 15 см³; СНС_1/10 = 0/0; η_эф = 63; 25; 12; 6; 4; 3 мПа˙с соответственно при скоростях сдвига 3; 9; 27; 8 1 ; 343; 437 с^-1; отношение η_{эф.макс.}кη_эф.мин. составляет 21,0.

П р и м е р 4. Реагент N 4 готовят следующим образом: в 600 г воды растворяют 200 г 10%-ного гипана (20 г сухого гипана и 100 г воды) и перемешивают до получения однородного раствора. Вносят 200 г кремнеземистого сапропеля и вновь перемешивают до получения однородной суспензии. Полученный реагент имеет следующий состав, мас.%: гипан 2,0; сапропель 20; вода 78.

Готовят суспензию бентонита в количестве 750 г. Для этого в 720 г воды диспергируют 30 г бентонита.

Реагент в количестве 250 г добавляют к 750 г суспензии бентонита и перемешивают до получения однородного бурового раствора. Полученный раствор имеет следующий состав, мас.: реагент 25 (гипан 0,4; сапропель 5,0), бентонит 3; вода остальное. Он характеризуется следующими свойствами: ρ= 1040 кг/м³; УВ = 55 с; В = 4 см³; СНС_1/10 = 18/15 gПа; η_эф.= 7424; 3177; 1248; 476; 198; 129 мПа˙с при скоростях сдвига соответственно 3;9; 27; 81; 243; 437 с^-1; отношение η_{эф.макс.}кη_эф.мин.составляет 57,55.

П р и м е р 5. Готовят суспензию бентонита в количестве 900 г. Для этого в 870 г воды диспергируют 30 г бентонита.

К 900 г суспензии бентонита добавляют 50 г 10%-ного гипана (5 г сухого г гипана и 45 г воды), перемешивают до получения однородной суспензии. Добавляют 50 г кремнеземистого сапропеля и перемешивают до получения однородного бурового раствора. Полученный раствор имеет следующий состав, мас.% : гипан 0,5; сапропель 5,0; бентонит 3; вода остальное; Он характеризуется следующими свойствами: ρ= 1040 кг/м³; УВ = 28 с; В = 5 см³, СНС_1/10 = 9/12 gПа, η_эф.= 412, 170; 105; 70; 55; 45 мПа˙с при скоростях сдвига соответственно 3; 9; 27; 81; 243; 437 c^-1; отношение η_{эф.макс.}кη_эф.мин.составляет 9,15.

П р и м е р 6. Готовят суспензию бентонита в количестве 950 г. Для этого в 920 г воды диспергируют 30 г бентонита.

К 950 г суспензии бентонита добавляют 50 г 10%-ного гипана (5 г сухого гипана и 45 г воды) и перемешивают до получения однородного бурового раствора. Полученный раствор имеет следующий состав.мас.%: гипан 0,5; бентонит 3; вода остальное. Он характеризуется следующими свойствами: ρ= =1020 кг/м³; УВ = 26 с; В = 6 см³; СНС_1/10 = 9/12 gПа; η_эф. = 401; 167; 100; 70; 52; 44 при скоростях сдвига соответственно 3; 9; 27; 81; 243; 437 с^-1; отношение η_{эф.макс.}кη_эф.мин. составляет 9,11.

П р и м е р 7. Реагент N 5 готовят следующим образом. В 560 г воды растворяют 220 г 10%-ного гипана (22 г сухого гипана и 198 г воды) и перемешивают до получения однородного раствора. Вносят 220 г кремнеземистого сапропеля и вновь перемешивают. Полученный реагент содержит 2,2 мас.% гипана, 22 мас. % сапропеля (вода остальное) и представляет собой неоднородную высококонсистентную пасту.

Результаты экспериментальных данных представлены в табл. 1-3.

Анализ полученных данных показывает следующее.

Буровые растворы, содержащие 10-20 мас.% реагента, содержащего 1-2 мас. % гипана и 10-20 мас.% сапропеля (вода - остальное), характеризуются отношением η_{эф.макс.}иη_эф.мин. 25,52-57,55 (примеры 2-4). Это свидетельствует об улучшении псевдопластичных свойств по сравнению с прототипом, для которого это отношение составляет 9,25. При одинаковых содержаниях ингредиентов в предлагаемом реагенте (пример 4) и известном (прототип) отношение η_{эф.макс.}кη_эф.мин. соответственно составляет 57,55 и 9,25, причем это отношение, которым характеризуется буровой раствор с меньшим содержанием ингредиентов (пример 2), также выше и составляет 25,52. Уменьшение содержания гипана относительно 1 мас.% и сапропеля относительно 10 мас.% снижает способность реагента улучшать псевдопластичные свойства. Из примера 1 видно, что отношение η_{эф.макс.}кη_эф.мин., составляющее 9,75, меньше отношения 25,52, что видно из примера 2, причем это имеет место при большем содержании гипана и сапропеля. Поэтому уменьшение содержания гипана относительно 1 мас.% и сапропеля относительно 10 мас.% не позволяет достичь цели изобретения.

При увеличении содержания гипана относительно мас.% и сапропеля относительно мас. % реагент представляет собой густую неоднородную пасту, непригодную для приготовления бурового раствора (пример 7). Поэтому увеличивать содержание гипана относительно 2 мас.% и сапропеля относительно 20 мас.% нецелесообразно.

Из примера 5 видно, что при раздельном введении в суспензию бентонита гипана и сапропеля псевдопластичные свойства бурового раствора низки. Отношение η_{эф.макс.}кη_эф.мин. при этом составляет 9,15 и практически соответствует отношению 9, 11, характеризующему буровой раствор N 6, содержащий только гипан, а также отношению 9,25, характеризующему прототип, при одинаковых соотношениях ингредиентов.

Поэтому раздельное введение ингредиентов не улучшает псевдопластичные свойства.

Результаты экспериментальных работ свидетельствуют об улучшении псевдопластичных свойств и возможности использования реагента для приготовления растворов не только на основе бентонита, но и также и для приготовления безглинистых и полимерных буровых растворов (пример 3).

Сочетание гипана с сапропелем создает синергетический эффект. В результате предварительного смешения гипана с сапропелем улучшается псевдопластичные свойства бурового раствора, причем при этом создается сверхсуммарный эффект.

Таким образом, при содержании гипана 1-2 мас.% и сапропеля 10-20 мас.% реагент улучшает псевдопластичные свойства бурового раствора.

Экономическая эффективность от применения изобретения может быть достигнута за счет увеличения производительности бурения ввиду повышения эффективности очистки забоя, промывки ствола скважины и выноса шлама.

Использование: бурение скважин. Сущность: реагент для приготовления бурового раствора содержит, мас.%: гипан 1 - 2 (в пересчете на сухое вещество), сапропель 10 - 20, вода остальное. 3 табл.

РЕАГЕНТ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ БУРОВОГО РАСТВОРА, содержащий гипан, наполнитель и воду, отличающийся тем, что, с целью улучшения псевдопластичных свойств бурового раствора, он в качестве наполнителя содержит сапропель при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
Гипан 1 - 2
Сапропель 10 - 20
Вода Остальное