БЕЗГЛИНИСТЫЙ БУРОВОЙ РАСТВОР Российский патент 1998 года по МПК C09K7/02 

Изобретение относится к бурению нефтяных и газовых скважин, в частности к буровым растворам для промывки ствола скважин.

Известны безглинистые буровые растворы, приготовленные путем обработки водной торфяной суспензии щелочными агентами, в качестве которых используются гидроксиды, карбонаты, силикаты щелочных металлов (см. О.К. Ангелопуло, В.М. Подгорнов, В.Э. Аваков Буровые растворы для осложненных условий. М. Недра, 1988 г).

Недостатком трехкомпонентных растворов (торф-вода-щелочная добавка) является высокая фильтрация и низкая технологичность получаемой системы. Применение таких растворов ограничено интервалами сложенными рыхлыми поглощающими породами. Известен безглинистый буровой раствор, взятый нами в качестве прототипа, в котором торфощелочная суспензия, с целью снижения вязкости, статического напряжения сдвига в условиях полиминеральной агрессии, содержит следующие ингредиенты (мас.):
Гуматосодержащее вещество 4,0 8,0
Щелочной электролит 0,2 1,5
Гелеобразователь 1,0 3,0
Органический стабилизатор 0,1 1,0
Ингибитор 1,0 40,0
Вода Остальное
В качестве щелочного электролита в данном растворе могут быть использованы силикаты, карбонаты, фосфаты щелочных металлов.

В качестве ингибирующих добавок, в зависимости от разбуриваемых пород, применяют хлориды натрия, калия и др.

Недостатком данного раствора является низкая флокулирующая способность и, несмотря на наличие в составе ингибитора, неудовлетворительные ингибирующие свойства при применении для разбуривания разрезов, сложенных глинистыми породами. Следствием указанных недостатков является нарушение устойчивости ствола скважины, обогащение бурового раствора частицами шлама, в том числе мелкодисперсными, что в конечном итоге приводит к изменению структурно-механических параметров (см. авторское свидетельство СССР N 945163, кл. C 09 K 7/02, опубл. 23.07.82).

Задачей изобретения является получение безглинистого бурового раствора с высокими ингибирующими свойствами по отношению к глинистым породам и одновременно обладающим элективной флокулирующей способностью.

Поставленная задача решается тем, что в безглинистом буровом растворе, содержащем торф, щелочной модификатор, ингибитор и воду, в качестве щелочного модификатора безглинистый буровой раствор содержит калийсодержащий щелочной реагент, в качестве ингибитора хлористый калий, а в качестве флокулянта полиакриламид при следующем соотношении компонентов, мас.

Торф (по сухому веществу) 5 7
Калийсодержащий щелочной модификатор 0,5 1,5
Хлористый калий 1 3
Полиакриламид 0,002 0,004
Вода Остальное
Безглинистый буровой раствор по п.1, отличающийся тем, что в качестве калийсодержащего щелочного модификатора он содержит едкий калий или углекислый калий.

В известном безглинистом буровом растворе для модификации торфяного структурообразователя могут быть использованы любые щелочные реагенты. В предполагаемом решении щелочным модификатором торфа может быть только калийсодержащий реагент KOH или K₂CO₃. При таком условии одновременно происходит омыление частиц торфа и обогащение водной фазы безглинистого раствора ионами калия. Дополнительное обогащение торфогуматного раствора калий-ионами происходит при введении хлористого калия. Сочетание калийсодержащего щелочного модификатора с хлористым калием приводит к обогащению фильтрата торфогуматного бурового раствора ионами калия, активно способствующими подавлению процесса набухания и гидратации глинистых сланцев. При любом другом сочетании полочных и ингибирующих добавок не удается получить торфогуматный раствор с эффективными ингибирующими свойствами. Отличительным признаком заявляемого изобретения является также отсутствие в составе раствора гелеобразователя и органического стабилизатора, для обеспечения эффективной очистки торфогуматного раствора от тонкодисперсных частиц разбуриваемой глинистой породы в состав включена флокулирующая добавка полиакриламид (ПАА).

Изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень", так как приведенное сочетание и соотношение компонентов в заявляемом безглинистом буровом растворе является неочевидным для среднего специалиста в данной области знаний.

Вышеперечисленные признаки, позволяют считать заявляемый состав безглинистого бурового раствора новым, не описанным в научно-технической и патентной литературе.

Изобретение является промышленно применимым (акт лабораторных испытаний прилагается).

При приготовлении раствора предлагаемого состава использовались следующие реагенты:
фрезерный торф, выпускаемый Сосногорским торфопредприятием (ТУ 214-412-07-89);
калий гидрат окиси технический (ГОСТ 9285-78), выпускаемый для производства удобрений и др.

калий углекислый технический (K₂CO₃•1,5H₂O, поташ, ГОСТ 10690-73), выпускаемый для строительства стекольной промышленности и др.

калий хлористый (ГОСТ 4568-83), выпускаемый для сельского хозяйства как удобрение;
полиакриламид (ТУ 6-16-2531-81), используемый в практике бурения в качестве стабилизатора растворов.

В качестве основы для приготовления безглинистого бурового раствора была использована водная суспензия, содержащая 5 7 мас. торфа. При содержании торфа менее 5 мас. получается промывочная жидкость с низкими структурно-механическими параметрами (см. таблицу ), при увеличении содержания торфа более 7% образуется непрокачиваемый раствор. Указанные в таблице и формуле концентрации торфа даны в расчете на сухой торф, поэтому при расчете количества данного структурообразователя следует учитывать влажность исходного сырья.

Для оценки эффективности заявляемого решения была проведена серия экспериментов по определению показателя увлажнения (набухаемости) глинистых образцов в среде исследуемых растворов. Для изготовления образцов был использован шлам со скв. 6401 Бованенковского месторождения. Навеска увлажненной до 20% фракции шлама размером <0,25 мм помещалась в пресс-форму, где под давлением 40 МПа прессовали образец. После взвешивания образец помещали в исследуемую среду и выдерживали в течение 4-х часов. Затем образец извлекали из раствора и взвешивали. По разнице весов до и после опыта по результатам трех параллельных измерений рассчитывали количество влаги, поглощенной глинистым образцом.

Результаты испытаний растворов по прототипу и по заявляемому составу представлены в таблице. Под N 5, 6, 7, 8 приведены параметры растворов, в которых в качестве щелочного модификатора использованы натрийсодержащие реагенты: каустическая сода (NaOH) и карбонат натрия (Na₂CO₃). Под остальными номерами в состав растворов входят калийсодержащие добавки.

Как показали замеры параметров, наибольшее увлажнение глинистых образцов отмечается в тех растворах, где щелочным модификатором торфа служат NaOH и Na₂CO₃, причем с увеличением концентрации этих реагентов возрастает степень увлажненности образцов. Использование хлористого калия как ингибирующей добавки в этих растворах дает незначительный эффект даже при высоком до 10 мас. ) содержании его в растворе (см. таблицу, опыт N 8). В растворах, в состав которых входят калийсодержащий щелочной модификатор и хлористый калий, наблюдается снижение набухаемости глинистых образцов по сравнению с прототипом. Наименьшая увлажненность отмечена у образцов, помещенных в растворы, содержание 0,5 -1,5 мас. едкого калия (или поташа) и 1 3 мас. хлористого калия (см. таблицу, оп. NN 9 13). При уменьшении количества щелочного реагента ниже 0,5 мас. в растворе процесс омыления торфа происходит неглубоко, в результате чего ухудшаются фильтрационные характеристики бурового раствора (см. таблицу, оп. N 16), при увеличении свыше 1,5 мас. наблюдается возрастание pH среды до нежелательной величины (см. таблицу, оп. N 14, 15). Уменьшение концентрации хлористого калия ниже 1 мас. не дает достаточного ингибирующего эффекта, (см. таблицу, опыт N 18) увеличение выше 3 мас. нецелесообразно, т.к. при этом набухаемость образцов снижается незначительно (см. таблицу, оп. N 17).

Контроль стандартных параметров растворов приведенного состава показал их высокую стабильность, низкую фильтрацию.

Разбуривание неустойчивых глинистых разрезов, для которых предназначается предлагаемый раствор, сопровождается обогащением промывочной жидкости высококоллоидной глинистой фракцией. Этот процесс приводит к потере структурно-механических свойств торфогуматного раствора. Поэтому наряду с неорганическими реагентами, снимающими диспергирующее действие фильтрата, были проведены исследования по подбору реагента, обеспечивающего эффективную флокуляцию тонкодисперсных глинистых частиц из среды бурового раствора. Флокулирующий эффект оценивали по зависимости скорости седиментации твердой фазы глинистой суспензий от содержания флокулирующей добавки, для этого в мерный цилиндр объемом 100 см³, содержащий 3%-ную глинистую суспензию, вводили различное количество реагентов и через 15 мин замеряли объем осветлившейся жидкости. Таким образом были исследованы флокулирующие свойства гипана, КМЦ, полиакриламида, экстендера и полиэтиленоксида.

Ниже на чертеже показана зависимость седиментации твердой фазы от концентрации бурового раствора, где кривые обозначены: 1 КМЦ, 2 гипан, 3 - экстендер, 4 полиакриламид, 5 полиэтиленоксид.

Приведенные эксперименты показали (чертеж), что из перечисленных полимеров наибольшей флокулирующей способностью обладает полиакриламид. Максимальная флокуляция мелкодисперсных глинистых частиц отмечена у растворов, содержащих 0,002 0,004 мас. ПАА.

При увеличении содержания ПАА свыше 0,004 мас. наблюдается стабилизация флокулирующего действия ПАА (см. чертеж, кривая N 4). На стандартные параметры заявляемого безглинистого бурового раствора, а также на набухаемость глинистых частиц указанное количество ПАА влияет незначительно (см. таблицу 1, N 19, 20).

Пример 1. Для приготовления 1000 г заявляемого безглинистого бурового раствора из торфа с влажностью 60 мас. берут навеску торфа массой 80 г (что в пересчете на сухой торф составляет 50 г), добавляют 900 см³ воды и перемешивают суспензию в течение 15 мин. После этого в смесь добавляют 10 г едкого калия (калийсодержащий модификатор) и смесь перемешивают еще 30 мин. По истечении указанного времени в раствор добавляют ингибирующую добавку 10 г хлористого калия, после чего смесь перемешивают еще 15 мин. В последнюю очередь в безглинистый буровою раствор вводят 0,04 г полиакриламида (флокулянт). После 15-минутного перемешивания промывочный раствор набирает все необходимые свойства.

Пример 2. Для приготовления 1000 г заявляемого безглинистого бурового раствора из торфа влажностью 56 мас. берут навеску торфа массой 109,2 г (что в пересчете на сухое вещество составляет 70 г), добавляют 855,8 см³ воды и перемешивают смесь в течение 15 мин. После этого добавляют 15 г поташа (K₂CO₃ щелочной калийсодержащий модификатор) и раствор перемешивают еще 30 мин. По истечениии указанного времени в смесь добавляют 20 г хлористого калия и продолжают перемешивать. Через 15 мин в раствор вводят 0,02 г полиакриламида. После 15-минутного перемешивания раствор готов к использованию. При необходимости раствор может быть дообработан смазочными или поверхностно-активными добавками.

Применение предлагаемого безглинистого бурового раствора в сложных геологических условиях в сравнении с прототипом, позволит значительно снизить процесс диспергирования и разупрочнения глинистых разрезов, а также обеспечить элективную флокуляцию мелкодисперсных глинистых частиц из бурового раствора при его очистке.

Использование: бурение нефтяных и газовых скважин и предназначено для приготовления буровых растворов для промывки ствола скважин. Сущность: Безглинистый буровой раствор содержит, мас.%: торф 5 - 7, калийсодержащий щелочной модификатор 0,5 - 1,5, хлористый калий 1 - 3, полиакриламид 0,002 - 0,004 и воду - остальное. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

1. Безглинистый буровой раствор, содержащий торф, щелочной модификатор, ингибитор и воду, отличающийся тем, что он дополнительно содержит флокулянт
полиакриламид, а в качестве щелочного модификатора калийсодержащий щелочный реагент, а в качестве ингибитора хлористый калий при следующем соотношении компонентов, мас.

Торф (на сухое вещество) 5 7
Калийсодержащий щелочной реагент 0,5 1,5
Хлористый калий 2 3
Полиакриламид 0,002 0,004
Вода Остальное
2. Раствор по п.1, отличающийся тем, что он в качестве калийсодержащего щелочного реагента содержит едкий калий или углекислый калий.