Буровой раствор Российский патент 2004 года по МПК C09K7/02 

Изобретение относится к области бурения скважин, в частности к составам буровых растворов.

Оптимальный процесс бурения скважин обеспечивается, в том числе, правильным подбором бурового раствора. При вращательном способе бурения скважин промывочная жидкость должна обеспечивать комплекс технологических функций:

- способствовать разрушению горных пород на забое скважин;

- очищать забой скважины от выбуренной породы, вынося ее на поверхность;

- создавать противодавление на стенки скважины, а следовательно, предотвращать обвалы породы и проникновение в скважину газа, нефти, воды из разбуриваемых пород;

- сохранять и повышать устойчивость стенок скважин;

- охлаждать породоразрушающий инструмент и бурильные трубы;

- смазывать трущиеся детали долота, турбобура, бурильного инструмента;

- удерживать при прекращении циркуляции бурового раствора частицы выбуренных пород и утяжелителя во взвешенном состоянии. В значительной мере обеспечение технологических функций зависит от правильного выбора материалов и реагентов для приготовления бурового раствора. Физическая сущность параметров бурового раствора и их влияние при бурении на функции промывки определяются следующим рядом параметров физической сущности бурового раствора: плотность; условная вязкость; структурная (пластическая) вязкость; напряжение сдвига: статическое и динамическое; водоотдача (показатель фильтрации); содержание песка; водородный показатель и др.

Известные системы буровых растворов используются, в основном, при вращательном бурении вертикальных скважин, например, на нефть и газ, реже - для наклонных стволов, с малыми углами наклона от вертикали. При этом скважина углубляется в результате одновременного воздействия на породу крутящего момента и вертикальной осевой нагрузки на долото, которая создается частью массы бурильной колонны. На практике часто возникает задача бурения наклонно-направленных и горизонтальных стволов, например, для водных переходов, для скважин увеличенного диаметра, например, диаметром 1200-1600 мм и более. В этих случаях нагрузка, создаваемая частью массы бурильной колонны, не только не является позитивной составляющей для проходки скважины, но требует дополнительных усилий для бурильного оборудования, имеет место опасность прихвата бурильной колонны. Поэтому система буровых растворов должна дополнительно способствовать снижению сил трения между вращающимся бурильным инструментом и стенками скважины, формировать на стенках скважины скользкую, малопроницаемую фильтрационную корку, ингибировать и коагулировать глину, эффективно выносить частицы выбуренной и обвалившейся породы из скважины, предупреждать нефте-, газо- и водопроявления, что обеспечивается поддержанием оптимальных значений плотности бурового раствора, его вязкости, напряжения сдвига, водоотдачи, свойств полиэлектролита. В этих условиях наиболее эффективными системами глинистых буровых растворов являются полимерные растворы в виде стабильных обратных водомасляных эмульсий на основе органических полиэлектролитов - высокомолекулярных сополимеров акриламида и акрилата, проявляющих ионную активность, включающих эффективное количество активных ингредиентов.

Наиболее близким аналогом для заявленного бурового раствора является буровой раствор на основе водомасляной эмульсии, включающий глину, в том числе, бентонитовый глинопорошок, минеральное масло, многофункциональные поверхностно-активные вещества, каустическую соду, деривиты целлюлозы - в том числе карбоксиметилцеллюлозу, а также полимер из группы: полисахариды, альгинаты, поливиниловый спирт, пеногаситель - стеарат алюминия, гидрофобизированный кремнезем, воду (патент США № 5858928, С 09 К 7/02, 12.01.1999).

Цель изобретения - повышение эффективности системы бурового раствора, обеспечивающего эффективность бурения, в том числе наклонно-направленных и горизонтальных стволов и скважин всех назначений, в частности, для строительства переходов, например, водных.

Технический результат изобретения - создан высокоэффективный буровой раствор, обеспечивающий бурение наклонно-направленных и горизонтальных стволов и скважин всех назначений, экологически безопасный, удовлетворяющий санитарно-эпидемиологическим и токсико-экологическим требованиям к новым видам продукции.

Указанная цель достигается тем, что буровой раствор на основе водомасляной эмульсии, включающий бентонитовый глинопорошок, каустическую соду, карбоксиметилцеллюлозу КМЦ, многофункциональные поверхностно-активные вещества ПАВ, пеногаситель, полимер и воду, содержит КМЦ низкой вязкости, в качестве многофункциональных ПАВ - ИКЛУБ и ИКД, в качестве пеногасителя - ИКДЕФОМ, в качестве полимера - акриламидсодержащий полимер - анионный полиэлектролит ИКСТАБ или амфолитный полиэлектролит ГРИНДРИЛ и дополнительно - кальцинированную соду при следующем соотношении ингредиентов, кг на 1 м³ бурового раствора:

Бентонитовый глинопорошок 30-75

Кальцинированная сода 1-2,5

Каустическая сода 0,2-0,7

КМЦ низкой вязкости 2,5-6,8

ИКЛУБ 3-9

ИКД 0,5-3

ИКДЕФОМ 0,1-0,25

Указанный акриламидсодержащий полимер 2,6-4,5

Вода Остальное

Причем возможно, что он дополнительно содержит аттапульгитовый глинопорошок в количестве не более 35 кг на 1 м³ указанного раствора, КМЦ высокой вязкости в количестве не более 4 кг на 1 м³ указанного раствора, КМЦ низкой вязкости имеет вязкость 2%-ного раствора при 25°С не менее 50 мПа·с (по Брукфильду), степень полимеризации 500-550 и при этом представляет собой натриевую соль КМЦ, КМЦ высокой вязкости имеет вязкость более 1000 мПа·с, степень полимеризации 700-800 и при этом представляет собой натриевую соль КМЦ, при расширении и калибровании скважин длиной более 600 м и диаметром более 1200 мм он содержит амфолитный полиэлектролит ГРИНДРИЛ, дополнительно содержит бактерицид ИКБАК в количестве 0,5-1 кг на 1 м³ указанного раствора.

Анионный полиэлектролит (торговое название ИКСТАБ или IKSTAB).

Амфолитный полиэлектролит (торговое название ГРИНДРИЛ или GREENDRIL);

смесь органических веществ и катионных производных в водном растворе, бактерицид (торговое название ИКБАК или IKBAC), синергетический продукт с бактерицидными, дезинфицирующими и замедляющими процесс коррозии свойствами.

В качестве глины используется бентонит - глинистый минерал монтмориллонит, в частности, 2:1 - монтмориллонит, в виде глинопорошка, объемной плотностью 800-900 кг/м³, легко диспергируемый в коллоидный раствор, а также пальгоскит, каолинит. Для бурения в отложениях песка или в гравийно-галечных грунтах в буровой раствор дополнительно вводят в виде глинопорошка аттапульгит.

Сода кальцинированная соответствует отечественному ГОСТ Р 5100-95, сода каустическая - отечественному ГОСТ 4328-77.

Карбоксилметилцеллюлоза (КМЦ) применяется, в частности, в виде натриевой соли КМЦ, соответствует отечественным ТУ 6-55-40-90 или спецификации 13А АНИ. Используют КМЦ с низкой вязкостью (КМЦ-LV), не менее 50 мПа·с 2%-ного водного раствора при 25°С (по Брукфильду), со степенью полимеризации 500-550. При необходимости регулирования фильтрации и/или вязкости бурового раствора, в основном там, где требуется по технологическим причинам поддержание высоких реологических характеристик раствора, дополнительно используют КМЦ с высокой вязкостью (КМЦ-HV), более 1000 мПа·с 2%-ного водного раствора при 25°С (по Брукфильду), со степенью полимеризации 700-800.

Ингредиент ИКЛУБ представляет собой аддукт олеиновой кислоты с этилендиамином, аддукт цис-9-октадеценовой кислоты с этилендиамином, имеющий химическое название (по ШРАС, по CAS регистрационный №27738-73-4) этилендиамин-цис-9-октадеценоат, молекулярная формула С₂₀H₄₂N₂О₂, молекулярная масса 332,57, структурная формула СН₃(СН₂)₇CН=СH(СН₂)₇CООН·NН₂(СН₃)₂NH₂, слегка вязкая жидкость светло-желтого цвета, плотность при 20°С ~1 г/см³, рН 8-9, температура вспышки не ниже 200°С, температура воспламенения не ниже 65°С, нерастворима в воде, диспергируется в морской воде.

Ингредиент ИКД имеет химическое название (по IUPAC, по CAS регистрационный №9016-45-9) альфа-(нонилфенил)-омега-пироксиокта (окси-1,2-этандиил) или октооксиэтиленовый эфир нонилфенола (или нонилфенокси[окта(этиленокси)]этанол), молекулярная формула С₃₁Н₅₆O₉, молекулярная масса 572,74, структурная формула

прозрачная жидкость с легким спиртовым запахом, плотность 1,02-1,03 г/см³, рН 6-8, точка кипения ~270°С, температура вспышки не ниже 85°С, растворим в воде при комнатной температуре, биологическая разложимость свыше 80% по стандарту ЕЭС.

Ингредиент ИКДЕФОМ представляет собой жидкость бледно-соломенного цвета без запаха, плотность 0,87-0,89 г/см³, растворима в воде при перемешивании, диспергируется.

Ингредиент ИКСТАБ представляет собой органический анионный полиэлектролит - высокомолекулярный сополимер, содержащий звенья акриламида примерно от 50 до примерно 80 мас.% и акрилата натрия примерно от 50 до примерно 20 мас.%, в пересчете на массу сополимера, с характеристической вязкостью сополимера 20-10, имеющий высокую растворимость в воде, где указанный сополимер проявляет ионную активность, представляющийся в виде высокодисперсной обратной водомасляной эмульсии, сохраняющей термо- и морозоустойчивость и стабильность в диапазоне температур от +175 до -35°С и подвижность при температуре до -35°С. Органический анионный полиэлектролит синтезируют эмульсионной полимеризацией в водомасляной эмульсии в адиабатическом режиме с участием пероксидных инициаторов реакционной смеси, содержащей в качестве дисперсионной фазы низкозастывающее углеводородное масло, эмульгатор - смесь жирных кислот с триэтаноламином и шихты мономера, приготовленной перемешиванием до полного растворения мономера из ряда акриламидов в водном растворе, неорганической соли щелочного металла I группы периодической таблицы элементов и моно-аминомонокарбоновой аминокислоты, содержащей метилированную сульфгидрильную группу в количестве 0,1-0,25% от массы мономера, предварительно преобразованной турбулентным диспергированием в высокодисперсную стабильную обратную водомасляную мономерную эмульсию, с последующим гидролизом полученной эмульсии сополимеров и продувкой инертным газом в присутствии водного раствора гидроокиси.

Ингредиент ГРИНДРИЛ представляет собой органический амфолитный полиэлектролит - высокомолекулярный сополимер, содержащий звенья акриламида примерно от 50 до примерно 94 мас.%, акрилата натрия примерно от 45 до примерно 5 мас.% и виниламина примерно от 5 до примерно 1 мас.%, в пересчете на массу сополимера, с характеристической вязкостью сополимера 18-10, имеющий высокую растворимость в воде, где указанный сополимер проявляет ионную активность, представляющийся в виде высокодисперсной обратной водомасляной эмульсии, сохраняющей термо- и морозоустойчивость и стабильность в диапазоне температур от +175 до -35°С и подвижность при температуре до -35°С. Органический амфолитный полиэлектролит синтезируют эмульсионной полимеризацией в водомасляной эмульсии в адиабатическом режиме с участием пероксидных инициаторов реакционной смеси, содержащей в качестве дисперсионной фазы низкозастывающее углеводородное масло, эмульгатор - смесь жирных кислот с триэтаноламином и шихты мономера, приготовленной перемешиванием до полного растворения мономера из ряда акриламидов в водном растворе, неорганической соли щелочного металла I группы периодической таблицы элементов и моноаминомонокарбоновой аминокислоты, содержащей метилированную сульфгидрильную группу, в количестве 0,1-0,25% от массы мономера, предварительно преобразованной турбулентным диспергированием в высокодисперсную стабильную обратную водомасляную мономерную эмульсию, с последующим гидролизом полученной эмульсии сополимеров, в присутствии гипохлорита натрия в количестве 5% от массы мономера и гидроокиси натрия, причем мольное соотношение гипохлорит натрия - гидроокись натрия составляет 1:3,6, и продувкой инертным газом.

При получении органического полиэлектролита, как анионного, так и амфолитного, мономер акриламида выбирают из ряда амидов, содержащего акриламид, метакриламид, N-алкилакриламид, NN-диалкилакриламид. В качестве моноаминомонокарбоновой аминокислоты применяют α-амино-γ-метилтиомасляную кислоту или метионин кормовой или фармацевтический. В качестве эмульгатора используют смесь жирных кислот из ряда олеиновой, линолевой, линоленовой, и/или стеариновой, и/или смоляной кислот, и/или таллового масла с триэтаноламином и/или эмультал. Для создания дисперсионной фазы обратной эмульсии применяют селективной очистки дистиллятные углеводородные масла с температурой застывания -40÷-70°С и кинематической вязкостью 2-16 мм²/с при 50°С.

Ингредиент ИКБАК представляет собой прозрачную жидкость, плотность 1,03 г/см³, растворимую в воде, спиртах, нерастворимую в углеводородах, имеющую водородный показатель рН 3-5.

Сущность изобретения заключается в том, что буровой раствор на основе обратной водомасляной эмульсии, включающий глину, кальцинированную соду, каустическую соду, карбоксилметилцеллюлозу, смазывающую добавку, пеногаситель, поверхностно-активные вещества, акриламидосодержащие полимеры и воду, в качестве смазывающей добавки содержит аддукт олеиновой кислоты с этилендиамином, имеющей торговое название ИКЛУБ, поверхностно-активные вещества с комбинированным детергирующим, смачивающим и диспергирующим действием, в виде специфического биологически разложимого неионогенного поверхностно-активного вещества - альфа-(нонилфенил)-омега-гидроксиокта(окси-1,2-этандиил), имеющего торговое название ИКД, и поверхностно-активные вещества с комбинированным действием пеногасителя в виде смеси сложного эфира жирной кислоты, органических производных, неионогенных поверхностно-активных веществ и минерального масла, имеющего торговое название ИКДЕФОМ, в качестве акриламидосодержащего полимера содержит, либо органический анионный полиэлектролит - высокомолекулярный сополимер, содержащий звенья акриламида примерно от 50 до примерно 80 мас.% и акрилата натрия примерно от 50 до примерно 20 мас.%, в пересчете на массу сополимера, представляющийся в виде высокодисперсной обратной водомасляной эмульсии, синтезированный эмульсионной полимеризацией в водомасляной эмульсии в адиабатическом режиме с участием пероксидных инициаторов реакционной смеси, содержащей низкозастывающее углеводородное масло, эмульгатор - смесь жирных кислот с триэтаноламином и шихты мономера, приготовленной перемешиванием до полного растворения мономера из ряда акриламидов в водном растворе, неорганической соли щелочного металла I группы периодической таблицы элементов и моноаминомонокарбоновой аминокислоты, содержащей метилированную сульфгидрильную группу, предварительно преобразованной турбулентным диспергированием в высокодисперсную стабильную обратную водомасляную мономерную эмульсию, с последующим гидролизом полученной эмульсии сополимеров и продувкой инертным газом в присутствии водного раствора гидроокиси, имеющий торговое название ИКСТАБ, либо органический амфолитный полиэлектролит - высокомолекулярный сополимер, содержащий звенья акриламида примерно от 50 до примерно 94 мас.%, акрилата натрия примерно от 45 до примерно 5 мас.% и виниламина примерно от 5 до примерно 1 мас.%, в пересчете на массу сополимера, представляющийся в виде высокодисперсной обратной водомасляной эмульсии, синтезированный эмульсионной полимеризацией в водомасляной эмульсии в адиабатическом режиме с участием пероксидных инициаторов реакционной смеси, содержащей низкозастывающее углеводородное масло, эмульгатор - смесь жирных кислот с триэтаноламином и шихты мономера, приготовленной перемешиванием до полного растворения мономера из ряда акриламидов в водном растворе, неорганической соли щелочного металла I группы периодической таблицы элементов и моноаминомонокарбоновой аминокислоты, содержащей метилированную сульфгидрильную группу, предварительно преобразованной турбулентным диспергированием в высокодисперсную стабильную обратную водомасляную мономерную эмульсию, с последующим гидролизом полученной эмульсии сополимеров, в присутствии гипохлорита натрия в количестве 5% от массы мономера и гидроокиси натрия, причем соотношение гипохлорит натрия - гидроокись натрия составляет 1:3,6, и продувкой инертным газом, имеющий торговое название ГРИНДРИЛ, при следующем содержании ингредиентов в 1 м³ бурового раствора, кг:

Бентонит 30-75

Аттапульгит 35-0

Кальцинированная сода 1-2,5

Каустическая сода 0,2-0,7

Карбоксилметилцеллюлоза низкой вязкости 6,8-2,5

Карбоксилметилцеллюлоза высокой вязкости 0-4

ИКЛУБ 3-9

ИКД 0,5-3

ИКДЕФОМ 0,1-0,25

ИКСТАБ либо ГРИНДРИЛ 2,6-4,5

Вода Остальное

При расширении и калибровании скважин длиной более 600 м и диаметром более 1200 мм вместо ИКСТАБ применяют ГРИНДРИЛ в тех же количествах. В летние периоды в процессе строительства перехода для предотвращения преждевременной биологической деструкции полимеров, в состав бурового раствора дополнительно вводят бактерицид ИКБАК в количестве 0,5-1 кг/м³.

Технология приготовления растворов заключается в приготовлении смешением в воде глинистой суспензии совместно с кальцинированной и каустической содой, добавлении полимеров, смазывающей добавки, детергента и других ингредиентов в требуемом количестве, в зависимости от вида и назначения бурения, горно-геологических и гидрогеохимических условий строительства.

В таблице 1 приведены конкретные примеры состава предлагаемого бурового раствора и количественное соотношение его компонентов. В таблице 2 ингредиенты в достаточном количестве каждый для оказания в композиции влияния на процесс бурения, в зависимости от вида разбуриваемых грунтов: в глинах, в суглинке, в отложениях супеси, в отложениях песка, в гравийно-галечниковых грунтах. В таблицах 3-6 представлены свойства соответствующих буровых растворов с учетом режимов и вида строительства ствола при бурении: проходка пилотной скважины, расширение пилотной скважины, калибрование ствола скважины, протаскивание дюкера. Как видно из таблиц 1-6, наличие в буровом растворе предложенной композиции ингредиентов при их определенном соотношении, включающей анионные либо амфолитные полимерные добавки - полиэлектролиты в виде обратных водомасляных эмульсий, обеспечивает требуемые технологические и реологические свойства получаемых высоковязких полимерно-бентонитовых буровых растворов, для широкого диапазона грунтов, в зависимости от горно-геологических и гидрогеохимических условий строительства, в том числе, строительства переходов наклонно-направленным и горизонтальным бурением, а также водных переходов. Предложенные высоковязкие полимерно-бентонитовые растворы соответствуют государственным санитарно-эпидемиологическим правилам и нормативам ГОСТ 12.1.007-76 ССБТ “Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности”, по параметрам острой токсичности относятся к малоопасным химическим веществам IV класса опасности. ЛД₀ - 10000 мг/кг. Слабо раздражает слизистые оболочки глаз. Государственными гигиенической и санитарно-эпидемиологической службами Российской Федерации на данный буровой раствор выданы соответствующие официальные токсиколого-гигиенический паспорт и санитарно-эпидемиологическое заключение на возможность производства, применения (использования) и реализации предлагаемых полимерно-бентонитовых буровых растворов на территории Российской Федерации, для строительства методом наклонно-направленного бурения переходов, в том числе подводных, и бурения скважин всех назначений.

Изобретение относится к области бурения скважин, в частности к составам буровых растворов, применяемых при промывке бурящихся нефтяных и газовых скважин, при гражданском строительстве, в частности, при наклонно-направленном и горизонтальном бурении, строительстве подводных переходов. Техническим результатом является повышение эффективности и обеспечение бурения наклонно-направленных и горизонтальных стволов и скважин всех назначений, повышение экологической безопасности. Буровой раствор на основе водомасляной эмульсии, включающий бентонитовый глинопорошок, каустическую соду, карбоксиметилцеллюлозу КМЦ, многофункциональные поверхностно-активные вещества ПАВ, пеногаситель, полимер и воду, содержит КМЦ низкой вязкости, в качестве многофункциональных ПАВ - ИКЛУБ и ИКД, в качестве пеногасителя - ИКДЕФОМ, в качестве полимера - акриламидсодержащий полимер - анионный полиэлектролит ИКСТАБ или амфолитный полиэлектролит ГРИНДРИЛ и дополнительно - кальцинированную соду при следующем соотношении ингредиентов, кг на 1 м³ бурового раствора: бентонитовый глинопорошок - 30-75, кальцинированная сода - 1-2,5, каустическая сода - 0,2-0,7, КМЦ низкой вязкости - 2,5-6,8, ИКЛУБ - 3-9, ИКД - 0,5-3, ИКДЕФОМ - 0,1-0,25, указанный акриламидсодержащий полимер - 2,6-4,5, вода - остальное. Причем возможно, что он дополнительно содержит аттапульгитовый глинопорошок в количестве не более 35 кг на 1 м³ указанного раствора, КМЦ высокой вязкости в количестве не более 4 кг на 1 м³ указанного раствора, КМЦ низкой вязкости имеет вязкость 2%-ного раствора при 25°С не менее 50 мПа с (по Брукфильду), степень полимеризации 500-550 и при этом представляет собой натриевую соль КМЦ, КМЦ высокой вязкости имеет вязкость более 1000 мПа·c, степень полимеризации 700-800 и при этом представляет собой натриевую соль КМЦ, при расширении и калибровании скважин длиной более 600 м и диаметром более 1200 мм он содержит амфолитный полиэлектролит ГРИНДРИЛ, он дополнительно содержит бактерицид ИКБАК в количестве 0,5-1 кг на 1 м³ указанного раствора. 6 з.п. ф-лы, 6 табл.

1. Буровой раствор на основе водомасляной эмульсии, включающий бентонитовый глинопорошок, каустическую соду, карбоксиметилцеллюлозу КМЦ, многофункциональные поверхностно-активные вещества ПАВ, пеногаситель, полимер и воду, отличающийся тем, что он содержит КМЦ низкой вязкости, в качестве многофункциональных ПАВ - ИКЛУБ и ИКД, в качестве пеногасителя - ИКДЕФОМ, в качестве полимера - акриламидсодержащий полимер - анионный полиэлектролит ИКСТАБ или амфолитный полиэлектролит ГРИНДРИЛ и дополнительно - кальцинированную соду при следующем соотношении ингредиентов, кг на 1 м³ бурового раствора:

Бентонитовый глинопорошок 30 - 75

Кальцинированная сода 1 - 2,5

Каустическая сода 0,2 - 0,7

КМЦ низкой вязкости 2,5 - 6,8

ИКЛУБ 3 - 9

ИКД 0,5 - 3

ИКДЕФОМ 0,1 - 0,25

Указанный акриламидсодержащий полимер 2,6 - 4,5

Вода Остальное