РЕАГЕНТ ДЛЯ ОБРАБОТКИ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ Российский патент 1997 года по МПК C09K7/02 

Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин, в частности к реагентам для обработки буровых растворов.

Известен реагент на основе акриловых полимеров гипан, полученный омылением полиакрилонитрила каустической содой при 90-100^oC при соотношении компонентов 5,6: 4:90-120, где последние две цифры означают содержание воды [1]
Данный реагент чувствителен к водорастворимым солям поливалентных металлов, в связи с чем ограничивается их область применения. Также с увеличением содержания твердой фазы стабилизирующая и реологическая активность этого реагента значительна, происходит сильное загущение буровых растворов, что затрудняет их обработку и требует дополнительных расходов других реагентов, например КМЦ. Реагент не морозоустойчив. В процессе длительного хранения и после размораживания качество его значительно ухудшается.

Наиболее близким к заявленному по совокупности признаков является реагент для обработки буровых растворов на основе промышленных отходов волокна "Нитрон", являющийся полимером акрилового ряда (реагент К-9), содержащий гидроксид натрия и воду [2]
Данный реагент обладает неудовлетворительными реологическими свойствами (высокие показатели условной вязкости и пластической вязкости). Качество реагента после размораживания значительно ухудшается.

Заявленное изобретение решает задачу улучшения реологических и стабилизирующих свойств буровых растворов при одновременном увеличении морозостойкости и сохранения этих свойств при использовании реагента после его длительного хранения или после его размораживания.

Для решения указанной задачи реагент для обработки буровых растворов, включающий полимер акрилового ряда, гидроксид натрия и воду, дополнительно содержит диэтиленгликоль при следующем соотношении компонентов, мас.

полимер акрилового ряда 5-18
гидроксид натрия 2,5-6
диэтиленгликоль 5-18
вода остальное
Новым в заявляемом реагенте является то, что состав дополнительно содержит диэтиленгликоль при соотношении компонентов: полимер 5-18 мас. гидроксид натрия 2,5-6 мас. ДЭГ 5-18 мас. а остальное вода.

Установлено, что диэтиленгликоль улучшает реологические и стабилизирующие показатели буровых растворов при одновременном сохранении свойства морозостойкости.

Для получения заявляемого реагента в лабораторных условиях были использованы следующие реагенты:
отходы от вычесывания и стрижки меха из нитронного волокна, выпускаемого по ГОСТ 13232-79, отходы представляют собой укороченное расчесанное нитронное волокно с размерами нитей до 10 мм блестящего, матированного вида, неокрашенное;
каустическая сода по ГОСТ 22-63-79;
диэтиленгликоль по ТУ 10136-77;
техническая вода жесткостью 12 мг-экв./л.

Для приготовления 1000 г реагента в металлический стакан наливали 710 г воды, растворяли в ней 60 г щелочи и добавляли 50 г диэтиленгликоля. В полученный раствор помещали 180 г отходов волокна "Нитрон", закрывали крышкой и термостатировали при 90-95^oC в течение 6-8 часов до их полного растворения.

Аналогичным образом готовили другие составы реагента с различным содержанием ингредиентов. Составы и показатели свойств известных и заявляемого реагентов сразу после приготовления, через 3 месяца хранения и оттаявших после замораживания при минус 25^oC приведены в таблице 1.

В ходе лабораторных испытаний по проверке эффективности действия реагента на буровые растворы у последних измерялись следующие показатели свойств: плотность, условная и пластическая вязкости, фильтратоотдача, статическое напряжение сдвига и pH среды по стандартным приборам и методикам, температура замерзания раствора.

Показатели всех исследуемых свойств буровых растворов замеряли после добавок известных и заявляемого реагентов, сразу приготовленных, по истечении 3-х месяцев хранения, а также оттаявших при 20^oC реагентов, замороженных предварительно при температуре минус 25^oC в течение 24 часов.

Стабилизирующее действие и реологическая активность реагента проверялись на глинистых буровых растворах с высокими значениями статического напряжения сдвига, фильтратоотдачи, условной и пластической вязкостей следующего состава, мас. пресный бентонит 5; глина 10; вода 85; минерализованный бентонит 5; глина 10; хлористый натрий 3; хлористый кальций 0,85; вода 79.

После замера исходных показателей приготовленные растворы делят на серию равных частей. Одну часть обрабатывают известным реагентом, другую - заявляемым. Обработанные растворы перемешивают в течение 1 часа на мешалке при скорости 600 об/мин. По сравнению показателей бурового раствора судят о качестве нового реагента. Сравнительные результаты эффективности обработки бурового раствора заявляемым и известными реагентами отражены в таблице 2.

В лабораторных условиях для обработки буровых растворов были исследованы реагенты с добавками ДЭГ:
К-4 + ДЭГ,
К-9 + ДЭГ,
К-11 + ДЭГ и
гипан + ДЭГ.

Результаты обработки показали, что использование ДЭГ с известными реагентами, например К-4, К-9, К-11, которые являются полимерами акрилового ряда, позволяет достичь необходимых технологических показателей буровых растворов. Но наиболее эффективным полимером является отход производства волокна "Нитрон" (ГОСТ 13232-79).

Анализируя данные таблицы 2, выявили, что наиболее эффективным является реагент со следующим содержанием компонентов, мас.

полимер акрилового ряда 5,0-18,0
гидроксид натрия 2,5-6,0
диэтиленгликоль 5,0-18,0
вода остальное
который превосходит по технологическим параметрам реагент по прототипу.

Граничные значения содержания компонентов заявляемого состава выбраны из условий его использования для фактических буровых растворов.

Так, для снижения условной вязкости до 46 с, CHC_1/10 до 45/52 дПа, фильтратоотдачи до 5•10^-6м³ приготовленного пресного раствора расход известного реагента составляет 0,7% (таблица 2, опыт 5), в то время как для достижения условной вязкости до 18-28 с, CHC_1/10 до 18-24/24-30 дПа, фильтратоотдачи до 3-3;5•10^-6м³ добавка заявляемого реагента требуется в количестве 0,5% (опыты 7, 9, 11, 13).

Пластическая вязкость от добавки известного реагента (по прототипу) остается прежней, а от обработки заявляемым реагентом улучшается до 4-8 МПа•с (опыты 7, 9, 11, 13).

Применение реагента Р3, содержащего ДЭГ 4% полимера актилового ряда 3% в буровом растворе не улучшает качество последнего (опыты 16, 17). А применение реагента Р9, содержащего ДЭГ 19% и полимера 21% нецелесообразно (опыты 14, 15), т.к. больший расход реагента не улучшает реологические показатели бурового раствора.

При использовании заявляемого реагента для обработки приготовленного минерализованного бурового раствора, содержащего 3% NaCl, 0,5% CaCl₂, для достижения условной вязкости 18-22 с, CHC_1/10 18-21/21-24 дПа, фильтратоотдачи 3-6•10^-6м³, пластической вязкости 2,5-10 МПа требуется 1,5% реагента (опыты 104, 106, 108, 110). В то время как известного реагента по прототипу (Р2) требуется 2% но реологические свойства бурового раствора остаются на прежнем уровне (опыт 102).

Применение реагента (Р3), содержащего менее 5% ДЭГ и менее 5% полимера акрилового ряда не позволяет достичь требуемых реологических показателей (опыты 113, 114).

Применение реагента, содержащего более 18% ДЭГ и более 18% полимера, нецелесообразно, т. к. дальнейшее улучшение реологических показателей не наблюдается (опыты 111, 112).

В таблице 2 также приведены данные по проверке стабилизирующего действия и реологической активности известного и заявляемого реагентов через 3 месяца хранения. Так, добавка известного реагента (Р2) практически не оказывает стабилизирующего действия (опыты 36, 37, 132, 133), что свидетельствует об ухудшении его качества. Добавка же заявляемых реагентов (Р4-Р8) при меньшем расходе снижает показатели бурового раствора до требуемых эксплуатационных, не уступая свежеприготовленному реагенту (опыты 39, 41, 43, 45 пресный р-р, 135, 137, 141 минер. р-р).

Для исследования влияния отрицательных температур на технологические свойства реагентов они подвергались замораживанию. При этом гипан (Р1) превращается в твердую массу уже при температуре минус 2^oC, в то время как заявляемые реагенты (Р6-Р8) при температуре минус 23^oC превращаются в густую, но технологически подвижную массу, а неподвижным (но не твердым) становится лишь при минус 27^oC. В таком состоянии реагенты выдерживались в течение суток, затем разогревались при температуре +20^oC и при достижении температуры полимерного состава 20^oC вводились в буровой раствор.

Значения показателей буровых растворов с заявляемым реагентом после размораживания приведены в таблице 2 (опыты 71, 73, 75, 77 пресный р-р, 167, 169, 171, 173 минер. раствор). Практически они не уступают параметрам бурового раствора с заявляемым реагентом без его замораживания (опыты 7, 9, 11, 13, 104, 106, 109, 110) и превосходят показатели растворов, обработанных известным реагентом, подвергавшимся замораживанию размораживанию (опыты 69, 165). При замораживании размораживании известный реагент расслаивается, что связано с деструкцией полимерных цепей, стабилизирующая и реологическая активность теряется, качество реагента ухудшается, что недопустимо для применения. Этого не происходит с заявляемым реагентом, что объясняется присутствием диэтиленгликоля.

Проведены опыты по определению замерзающей способности буровых растворов, обработанных известным и заявляемым реагентами.

Так, приготовленный пресный буровой раствор с заявляемым реагентом замерзает при температуре -13 -23^oC, а с известным при температуре 0^oC (таблица 2).

Приготовленный буровой раствор, содержащий 3% NaCl, 0,5% CaCl₂, обработанный заявляемым реагентом, имеет температуру замерзания -13 - -25^oC, а с известным реагентом -2^oC.

Следует отметить, что при отклонениях в количественных составах ингредиентов его стабилизирующая и реологическая способность ухудшается, а применение затруднено.

При содержании в заявляемом реагенте отходов нитроволокна меньше нижнего предела (таблица 1, реагент 3) получается реагент с пониженной стабилизирующей способностью и высокими значениями реологических показателей (таблица 2, опыты 16, 17, 48, 49, 80, 81, 113, 114, 144, 145, 176, 177). При содержании отходов нитроволокна в реагенте более 18% (таблица 1, реагент 9) затрудняется процесс омыления полимера, что приводит к пониженному содержанию гидроксильных групп в цепи полимера и ухудшению стабилизирующего эффекта (таблица 2, опыты 14, 15, 46, 47, 78, 79, 111, 112, 142, 143, 174, 175).

Предлагаемые концентрации гидроксида натрия необходимы для осуществления полного гидролиза полимерного волокна. Так, при концентрации гидроксидов натрия менее 2,5% (таблица 1, Р3) процесс омыления функциональных групп и получения макромолекул линейного построения затруднен, что также не дает достаточного стабилизирующего эффекта (таблица 2, опыты 16, 17, 48, 49, 80, 81, 113, 114, 144, 145, 176, 177).

При содержании гидроксида натрия свыше 6% (таблица 1, Р9) увеличивается щелочность системы, что способствует набуханию глинистых частиц выбуренной породы, увеличению реологических показателей бурового раствора, возможным осложнениям при бурении (таблица 2, опыты 14, 15, 46, 47, 78, 79, 111, 112, 142, 143, 174, 175), выработка бурового раствора заявляемым реагентом, содержащим менее 5% ДЭГ (таблица 1, Р3), не дает желаемых реологических показателей, не способствует снижению фильтратоотдачи и достаточно низкой температуры замерзания (таблица 2, опыты 16, 17, 48, 49, 80, 81, 113, 114, 144, 145, 176, 177). Обработка буровых растворов с содержанием ДЭГ в реагенте более 18% (таблица 1, Р9) экономически нецелесообразно (таблица 2, опыты 14, 15, 46, 47, 78, 79, 111, 112, 142, 143, 174, 175).

Указанные значения ингредиентов заявляемого реагента являются граничными, так как их изменение в большую или меньшую сторону не позволяют достичь поставленной задачи изобретения.

Состав реагента с содержанием ингредиентов, мас.

полимер акрилового ряда 18,0
гидроксид натрия 2,5
ДЭГ 18
вода остальное
является оптимальным (соответствует Р8 таблицы 1).

Заявляемый реагент для обработки буровых растворов по сравнению с известным (по прототипу) имеет следующее преимущество:
состав свежеприготовленного реагента, используемого после длительного времени хранения, а также оттаявшего реагента после замораживания при минус 27^oC обуславливает его высокое качество за счет эффективного регулирования структурно-механических показателей, низкой фильтратоотдачи, условной и пластической вязкости бурового раствора.

Так, статическое напряжение сдвига буровых растворов, обработанных заявляемым реагентом, через 3 месяца его хранения и после замораживания при -27^oC и размораживания при +20^oC по сравнению с известным уменьшается в 1,5-2 раза, фильтратоотдача в 4-9 раз, условная вязкость ниже в 1,5 раза и достигает требуемых значений, а пластическая вязкость легко снижается до 4-5 МПа•с, в то время как от известного реагента практически не меняется. Известный реагент и буровые растворы, обработанные им, седиментационно устойчивы.

Преимущества заявляемого реагента состоят в том, что при его использовании повышается качество буровых растворов в любое время года, исключаются использование дорогостоящих реагентов, например карбоксиметилцеллюлозы, и дополнительные затраты труда, материальные средства и время, связанные с обработкой буровых растворов в зимнее время года. Повышается эффективность применения реагента в северных широтах за счет его морозостойкости.

Использование: бурение нефтяных и газовых скважин. Сущность: реагент для обработки буровых растворов содержит, мас.%: полиакриламид 5-18; гидроксид натрия 2,5-6,0; диэтиленгликоль 5-18, вода - остальное. 2 табл.

Реагент для обработки буровых растворов, включающий полимер акрилового ряда, гидроксида натрия и воду, отличающийся тем, что он дополнительно содержит диэтиленгликоль при следующем соотношении компонентов, мас.

Полимер акрилового ряда 5 18
Гидроксид натрия 2,5 6,0
Диэтиленгликоль 5 18
Вода Остальноес