СМЕСЬ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ЩЕЛОЧНОГО КОЛЛОИДА БУРОВОГО РАСТВОРА Российский патент 1998 года по МПК C09K7/02 

Изобретение относится к области бурения скважин с использованием буровых промывочных растворов, получаемых из водных коллоидов и используемых для проходки глубоких и сверхглубоких скважин.

Широко известны реагенты на органической и неорганической основе (карбоксиметилцеллюлоза, декстрин, лигнин, сунил, ССБ и прочее) для получения буровых растворов, традиционно применяемых при бурении скважин (см., например, Городнов В.Д., Тесленко В.Н., Тимохин И.М. и др. Исследование глин и новые рецептуры глинистых растворов. Недра, М., 1975, с. 62, 233). Однако, составы указанных реагентов не являются универсальными для получения промывочных жидкостей, предназначенных для бурения скважин. В зависимости от геологических условий бурения применяют различные реагенты, специфика выбора которых в значительной степени определяется соленасыщенностью глинистых растворов, используемых при проходке скважин и физическими свойствами пород вскрываемых бурением горных пород.

Наиболее близким составом по технической и композиционной сущности к заявляемому объекту является состав какао-щелочного реагента, используемый как для приготовления, так и для химической обработки промывочных растворов (В.П. Белов, В.П. Коротков, Г.С. Варков. Исследование некоторых свойств реагента КЩР и возможности его применения для приготовления и обработки глинистых растворов. Известия ВУЗов. Нефть и газ, 1973, N 11, с. 44 - 48). Указанный состав реагента, взятый за прототип, имеет органическую основу и получается путем экстрагирования шелухи какао-бобов водным раствором щелочи или кальцинированной соды, причем на приготовление 1 м³ жидкого экстракта расходуется в среднем 100 кг шелухи и 30 кг каустической или кальцинированной соды. Таким образом, твердая составляющая известного какао-щелочного реагента содержит следующие компоненты, мас.%:
Шелуха какао-бобов - 76,9
Каустическая или кальцинированная сода - Остальное.

Известный состав реагента предназначен для приготовления пресных и соленасыщенных глинистых растворов путем предварительной экстракции с последующим смешением полученного экстракта с комковой или бентонитовой глинами. Таким образом, известный состав реагента практически нецелесообразно применять для приготовления буровых промывочных растворов методом простого смешения компонентов, поскольку без предварительного, как правило, длительного по времени экстрагирования шелухи какао водным раствором щелочи или кальцинированной соды, заданных вязкостных, реологических характеристик реагента и параметров седиментационной устойчивости глинистых суспензий, являющихся основой буровых промывочных растворов, а также адсорбционно-защитных свойств этих суспензий по отношению к пластовым кристаллическим хлоридам и, в первую очередь, к хлориду кальция, получить невозможность. Это обусловлено отсутствием в растворе компонентов, выделяющихся только лишь при длительной экстракции из какао шелухи указанными водными растворами каустической или кальцинированной соды. Поэтому известный состав применяют только лишь для приготовления экстракта, а затем экстракт используют в качестве добавки при получении бурового промывочного раствора. Необходимость приготовления экстракта из известного состава сухих компонентов и последующее использование полученного жидкого экстракта для приготовления непосредственно бурового промывочного раствора исключает применение приведенного выше известного состава из сухих реагентов в качестве компонента бурового промывочного раствора при смешении ингредиентов бурового раствора. Известный состав неприменим для приготовления промывочных растворов методом непосредственного смешения сухих компонентов с водой и глиной, так как при его использовании при бурении скважины не обеспечивается необходимое качество раствора, а содержащаяся в нем шелуха затрудняет работу турбобура в скважине и очистку раствора от выбуренной породы на поверхности.

Целью изобретения является повышение эффективности вскрытия солевых отложений, неустойчивых глинистых пород и продуктивных нефтяных или газовых пластов при бурении скважин.

Поставленная цель достигается тем, что смесь для приготовления щелочного коллоида бурового раствора, содержащая твердую смесь какао-реагента, щелочи, кальцинированной соды и воду, содержит в качестве какао-реагента термообработанные отсевы какао-шелухи фракции 0,05 - 0,1 мм при следующем соотношении ингредиентов твердой смеси на 1 м³ воды, мас.%:
Термообработанные отсевы какао-шелухи фракции 0,05 - 0,1 мм - 60 - 70
Щелочь - 5 - 15
Кальцинированная сода - Остальное
Причем термообработанные отсевы какао-шелухи фракции 0,05 - 0,1 мм представляют собой взрывобезопасный порошкообразный продукт нагрева шелухи бобов какао, нагретой до температуры 100 - 120^oC, при которой удаляется влага до остаточных концентраций 1 - 7% (мас.) в полученном порошке, а указанные размеры частиц шелухи какао, остающейся в буровом растворе, обеспечивают их свободное прохождение через ячейки вибрационных сит при очистке раствора от породы.

Изобретение удовлетворяет требованиям существенных отличий, так как ни в одном из аналогов и в прототипе в состав твердой смеси для приготовления коллоида не входят термообработанные фрагментированные отсевы какао-шелухи в качестве ингредиента. Фактически заявляемый состав является биологическим реагентом (БР). Причем, если из известных смесей получают чистый экстракт, свободный от твердого остатка и предназначенный для последующего приготовления бурового промывочного раствора, то заявляемый состав смеси для коллоида предназначен для непосредственного приготовления бурового промывочного раствора, не требующего отделения остатка.

Регламентирование размера частиц отсевов какао-шелухи в пределах 0,05 - 0,1 мм исключает седиментацию коллоида и образование в коллоидном высокощелочном растворе крупных ассоциированных комплексов-коагулянтов органического происхождения. При сохранении содержания компонентов в заявляемых пределах получающийся коллоид является лиофобным и слои хлопьев из тонкодисперсных твердых частиц какао-шелухи не образуются, то есть их коагуляция и седиментация не происходит.

Использование в качестве компонента в твердой смеси термообработанных отсевов какао-шелухи указанного фракционного состава гарантирует низкую гигроскопичность твердой смеси, что устраняет окомкование компонентов при смешении их и транспортировке в различной таре. Наиболее ярко положительное влияние использования термообработанных отсевов какао-шелухи взамен сырой шелухи проявляется при массовом производстве заявляемой смеси в поточной мукомольной линии и транспортировке в бумажных пакетах. Необработанные "сырые" отсевы, как правило, окомковываются, засоряют бункеры, дозаторы для смешения и сита для рассева ингредиентов, что практически исключает приготовление смеси в промышленных масштабах для бурения скважин. Приготовление смеси вручную является трудоемким, нерентабельным и нетехнологичным.

Температурный интервал термической обработки отсевов какао-шелухи определен экспериментально и находится в пределах 100 - 120^oC. При этой температуре удаляется влага до остаточных концентраций 1 - 7% (мас.) в полученном порошке. Качество такой обработки оценивается по внешнему виду отсевов. Недопустимо их обугливание, что приводит к невозможности получения коллоида для бурового раствора, и недопустима их повышенная остаточная влажность, которая является причиной образования комков смеси при расфасовке, затаривании, хранении и транспортировке смеси.

Нижний предел фракционного состава порошкообразных отсевов, равный 0,05 мм, выбран из условий обеспечения технологической возможности помола с учетом взрывобезопасности при помоле и рассеве какао-шелухи с использованием струйных, струйно-фрезерных мельниц и соответствующих сит. Исследование возможности возникновения взрыва твердых отсевов на воздухе по методике К.К. Андреева (см. Гольбиндер А.А. Лабораторные работы по курсу теории взрывчатых веществ. М. , РосВУЗиздат, 1964, 142 с.) показало, что аэровзвесь не взрывалась при поджигании в замкнутом объеме. Оценка чувствительности отсевов к удару на стандартном копре К-44-П по методике К.К. Андреева - Ю.А. Теребилиной (см. Андреев К.К., Теребилина Ю.А. В кн.: Теория взрывчатых веществ. М., Оборонгиз, 1963, с. 53 - 71) показала, что минимальная инициирующая энергия удара для отсевов значительно выше 60 Дж, что позволяет отнести такие отсевы к категории взрывобезопасных веществ. Содержание в порошкообразных отсевах фракции менее 0,05 мм после соответствующего рассева размеленной шелухи не обнаружено, так как мелкая фракция полностью удалялась в вентиляционную систему мельницы. Отсевы фракции более 0,1 мм в составе смеси иметь нежелательно, поскольку они практически не полностью омыливаются водощелочным раствором при приготовлении коллоида. После засыпки крупнофракционных (более 0,1 мм) отсевов с каустической и кальцинированной содой в воду крупная фракция шелухи оказывается на поверхности даже после тщательного перемешивания раствора, а сам раствор является ярко выраженной взвесью, которая расслаивается при отстаивании коллоидного раствора. Это затрудняет использование коллоида для приготовления бурового промывочного раствора, поскольку раствор засоряет сетчатые фильтры вибросит при бурении скважины, что является нетехнологичным. Присутствие крупной фракции какао-шелухи в коллоидном растворе, а затем и в буровом растворе приводит к засорению ячеек вибрационного сита при очистке на нем бурового раствора от выбуренной породы.

Состав смеси для приготовления щелочного коллоида подобран экспериментально и обеспечивает pH коллоида более 12,5 при удельном весе коллоида в пределах 1,081...1,095 г/см³ и вязкости 4,39...4,85 сПз. Наличие твердой щелочи в заявляемых пределах обеспечивает в коллоиде при pH = 12,5...14,0 проведение гидролиза сложных эфиров, входящих в состав отсевов какао-шелухи. При содержании растительных жиров в шелухе в пределах 1,7...5,2% реакция омыления сложных эфиров протекает по схеме: RCOOR + NaOH = ROH + RCOONa, а реакции, приводящие к расщеплению углеводов и белков, находящихся в отсевах, протекают в течение нескольких десятков минут после засыпки заявляемой твердой смеси в воду. Это способствует образованию коллоида с антикоагулянтными гидрофобными свойствами.

При снижении содержания в смеси отсевов какао-шелухи менее 60% (мас.) из-за недостатка компонента и избытка щелочи ярко проявляются леофильные свойства коллоида, в результате чего студнеобразная масса коллоида и водного раствора щелочи расслаиваются между собой, что является нежелательным, поскольку увеличивает продолжительность приготовления бурового промывочного раствора на основе полученного коллоида.

Содержание отсевов какао-шелухи более 70% от массы твердой смеси является излишним, поскольку приводит к засорению коллоида твердыми частицами какао-шелухи. Такая гетерофазная смесь неприемлема для приготовления бурового промывочного раствора, поскольку приводит к засорению вибросита и нарушает процесс промывки ствола скважины раствором, что создает аварийную ситуацию при бурении скважины и потерю части раствора на поверхности.

Недостаток щелочи при содержании ее менее 5% (мас.) в заявляемой смеси не позволяет проводить гидролиз жиров и сложных эфиров, входящих в состав отсевов какао-шелухи. В этом случае коллоид не получается и, фактически, вместо коллоида из смеси образуется ярковыраженная взвесь. Для получения из нее впоследствии качественного бурового промывочного раствора необходимо подвергнуть взвесь длительной экстракции с нагреванием до температур 80 - 90^oC, что не дает каких-либо практических преимуществ перед получением буровых растворов из смеси известного состава, взятого за прототип.

Избыток щелочи в заявляемой смеси в количествах более 15% (мас.) также нежелателен, поскольку резко увеличивает показатель pH коллоида до величин, больших 14,0. Это отрицательно влияет на коррозионную стойкость бурового оборудования и разрушает крепеж ствола скважины. Буровой раствор, приготовленный с использованием высокощелочного коллоида, является экологически вредным веществом и требует специальных дополнительных мер по его нейтрализации после использования и утилизации для сохранения нормальной экологической обстановки. Поэтому использование в смеси указанного состава избытка щелочи неприемлемо.

Наличие кальцинированной соды, как щелочного компонента, в количествах до 100% по массе балланса стабилизирует щелочные свойства коллоида при засыпке твердой смеси в воду и обеспечивает пептизацию частиц твердой фазы в растворе. Поскольку вода для технических целей имеет определенную жесткость или кислотность, то присадкой кальцинированной соды ее щелочные свойства невелируются. За счет гидролиза карбоната натрия водный раствор с содой приобретает ярко выраженные, но достаточно слабые щелочные свойства, что, в конечном итоге, позволяет получать в коллоиде pH = 12,5...14,0 при использовании любой воды. Кроме того, наличие в буровом растворе аниона HCO-3

, который переходит в раствор из коллоида, благоприятно влияет на поглощение и растворение карбонатов, попадающих в буровой промывочный раствор из пород в условиях барботажа промывочного раствора в стволе скважины. Это является положительным фактором использования смеси заявляемого состава при бурении нефтяных и газовых скважин.

Сбалансированное содержание в водном растворе тонкодисперсного порошка из термообработанных отсевов какао-шелухи и щелочных компонентов, взятых в указанных по формуле предлагаемого изобретения концентрациях, обеспечивает получение бурового, промывочного, глинистого раствора с необходимыми показателями вязкости, водоотдачи и статического напряжения сдвига, что позволяет проводить нормальное бурение скважин без замечаний по использованию растворов.

Подбор соотношения ингредиентов в смеси для приготовления щелочного коллоида произведен опытным путем по результатам испытаний седиментационной устойчивости бурового глинистого промывочного раствора, который изготавливался на основе экстракта какао-щелочного реагента и использовался при бурении скважины. Ниже приводим примеры изготовления указанных глинистых суспензий, не исключающие и другие возможные варианты рецептуры в объем формулы предлагаемого изобретения.

Суспензии приготавливали из твердых смесей заявляемого состава и составов, выходящих за заявляемые пределы путем засыпки твердых ингредиентов в воду объемом 1 дм³ и перемешиванием растворов до получения щелочного коллоида. Затем после отбора пробы коллоида пипеткой объемом 30 см³ и определения удельного веса коллоидов пикнометром, их вязкости на приборе ВПЖ-2 по ГОСТ 33-36 полученные коллоиды использовали для приготовления пилотных образцов бурового промывочного раствора, причем расчет его делали таким образом, что содержание коллоида составляло от 10 до 100% массы раствора и в него засыпали глину в количестве 10% от массы раствора. При этом соотношение твердых ингредиентов в образцах растворов сохранялось в пределах по заявке. Далее их тестировали на седиментационную устойчивость методом измерения объема осадков, выделившихся из раствора через час после их спокойного отстаивания на воздухе при нормальной температуре. Полученные данные сравнивали с показателями растворов, полученных на основе экстракта из известного какао-щелочного реагента, взятого за прототип и использованного для приготовления аналогичного по составу промывочного раствора. Составы твердых смесей для щелочного коллоида и экстракта-прототипа представлены в табл. 1. Результаты определения соответствующих показателей коллоидов, экстракта и промывочных растворов на их основе представлены в табл. 2.

Эффективность использования смеси предлагаемого состава для приготовления буровых промывочных растворов взамен существующих растворов на основе КМЦ рассчитывается по калькуляции себестоимости твердой смеси. Предлагаемая смесь почти в 2 раза дешевле реагента КМЦ, что позволит получить экономический эффект за счет снижения затрат на реагенты и глину, используемые на приготовление бурового промывочного раствора, а также за счет сокращения непроизводительного времени на проработку ствола скважины и химическую обработку бурового раствора в процессе бурения:
Э = A • (C₁ - C₂) + K • (P₁ - P₂) = 500 • (120000 - 60000) + 12000000 • (35 - 23) = 174000000 руб.,
где
A - средний удельный расход бурового промывочного раствора на скважину, м³;
C₁, C₂ - себестоимость приготовления 1 м³ реагента для промывочного раствора на основе существующих известных компонентов (экстрактов, КМЦ) и предлагаемой смеси, руб.;
K - среднесуточная стоимость строительства скважины, руб.;
P₁, P₂ - продолжительность бурения скважины на существующих буровых растворах и на растворе из предлагаемого состава, дни.

Смесь для приготовления щелочного коллоида бурового раствора относится к области бурения скважин с использованием буровых промывочных растворов, получаемых из водных коллоидов и используемых для проходки глубоких и сверхглубоких скважин. Смесь для приготовления щелочного коллоида бурового раствора, содержащая твердую смесь какао-реагента, щелочи, кальцинированной соды и воду, содержит в качестве какао-реагента термообработанные отсевы какао-шелухи фракции 0,05 - 0,1 мм при следующем соотношении ингредиентов твердой смеси на 1 м ³ воды, мас.%: термообработанные отсевы какао-шелухи фракции 0,05 - 0,1 мм 60 - 70, щелочь 5 - 15, кальцинированная сода - остальное. Причем термообработанные отсевы какао-шелухи фракции 0,05 - 0,1 мм представляют собой взрывоопасный порошкообразный продукт нагрева отсевов шелухи бобов какао до 100 - 120^oC, при которой удаляется влага до остаточных концентраций 1 - 67 мас.% в полученном порошке. Смесь обеспечивает повышение эффективности вскрытия солевых отложений, неустойчивых глинистых пород и продуктов нефтяных или газовых пластов при бурении скважин. 1 з.п.ф-лы, 2 табл.

1. Смесь для приготовления щелочного коллоида бурового раствора, содержащая твердую смесь какао-реагента, щелочи, кальцинированной соды и воду, отличающаяся тем, что она содержит в качестве какао-реагента термообработанные отсевы какао-шелухи фракции 0,05 - 0,1 мм при следующем соотношении ингредиентов твердой смеси на 1 м³ воды, мас.%:
Термообработанные отсевы какао-шелухи фракции 0,05 - 0,1 мм - 60 - 70
Щелочь - 5 - 15
Кальцинированная сода - Остальное
2. Смесь по п.1, отличающаяся тем, что термообработанные отсевы какао-шелухи фракции 0,05 - 0,1 мм представляют собой взрывобезопасный порошкообразный продукт нагрева отсевов шелухи бобов какао до температуры 100 - 120^oC, при которой удаляется влага до остаточных концентраций 1 - 7 мас.% в полученном порошке.