РЕАГЕНТ-СТАБИЛИЗАТОР ДЛЯ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ И КОНЦЕНТРАТ БУРОВОГО РАСТВОРА Российский патент 2004 года по МПК C09K7/02 

Изобретение относится к бурению скважин, в том числе к нефтегаз-геологоразведке и другим отраслям промышленности, а именно к производству химических реагентов для обработки буровых растворов различной степени минерализации, предназначенных для бурения глубоких и сверхглубоких скважин на нефть и газ.

Практика показывает, что одним из определяющих факторов, влияющих на процесс качественного вскрытия продуктивного пласта, является тип бурового раствора. Во многих случаях предпочтение отдают такому типу раствора, который обладает комплексом технологических свойств, необходимых для успешного бурения и вскрытия вертикальными и особенно горизонтальными скважинами.

Основными и общими технологическими функциями буровых растворов являются очистка забоя и ствола скважин от шлама, охлаждение породоразрушающего инструмента. Буровые растворы должны выполнять и специфические функции, такие как предотвращение обвалообразований, водо-, газо-, нефтепроявлений и поглощений в скважинах. Для предупрждения обвалообразований раствор должен не уменьшать, а по возможности увеличивать силы сцепления в породах. Чтобы сохранить устойчивость ствола, предотвратить выбросы пластовых флюидов и поглощение, раствор должен иметь прежде всего требуемую плотность. Раствор должен быть стабильным, т.е. сохранять заданные свойства при воздействии различных факторов.

Реагенты-стабилизаторы предназначены в основном для снижения фильтрации и вязкости бурового раствора. Это органические соединения, обладающие высокой гидрофильностью и растворимостью в воде. Известны реагенты-стабилизаторы на основе целлюлозы (карбоксиметилцеллюлоза, карбаминол, карбофен), лигносульфонатов, лигнина, полифенолов, акриловых полимеров, биополимеров, натриевых и калиевых солей гуминовых кислот, крахмалов (технический крахмал, модифицированный крахмал).

Наиболее широко распространенным в практике бурения скважин является такой реагент-стабилизатор как карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ). Известно, что карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ) различных степеней полимеризации сохраняет свои защитные свойства до температуры 130-160°С. Однако с ростом глубин и, как следствие этого, с ростом температуры на забое, в результате термоокислительной деструкции КМЦ значительно увеличивается ее расход для обработки промывочных жидкостей. Были предприняты различные попытки в данной области, чтобы улучшить свойства КМЦ, но большинство из них принесли лишь незначительные улучшения качества. Одним из представляющих интерес улучшений является применение ингибиторов. Для повышения термостойкости КМЦ в нее при синтезе вводят небольшое количество фенола, аминоспиртов, анилина. Получаемые при этом продукты соответственно карбофен, карбоминол, карбанил обладают высокой эффективностью в условиях повышенных температур и минерализации. Например, карбоминол обеспечивает высокую стабилизацию буровых растворов различной минерализации при температурах 180-190°С.

Для повышения устойчивости КМЦ к термоокислительной деструкции ее вводят в буровой раствор совместно с ингибитором, в качестве которого используют гексаметилендиамид (ГМДА) в количестве 1-3,5% от веса раствора (SU 473803, кл. С 09 К 7/00, 1975 г.). Введение гексаметилендиамина в процессе синтеза КМЦ приводит к получению карбодиамина и позволяет снизить количество ингибитора в 100-500 раз.

Длительное время использовали в качестве стабилизатора и регулятора структурно-механических и реологических свойств бурового раствора модифицированную карбоксиметилцеллюлозу, представляющую собой продукт взаимодействия щелочной целлюлозы, моноуксусной кислоты или ее натриевой соли и углещелочного реагента (SU 1680752, кл. С 09 К 7/02, 1991 г.). Известный реагент выпускают в виде порошка, который выполняет функции понизителя фильтрации. В качестве смазывающей и профилактической добавки используют нестабилизированную нефть с поверхностно-активным веществом - сульфонолом.

Однако это дорогой по стоимости реагент и недостаточно стойкий в условиях полиминеральной агрессии. Кроме того, растворы, обработанные КМЦ, имеют, как правило, низкие значения структурно-механических свойств, что ухудшает вынос выбуренной породы с забоя скважины, особенно из горизонтального участка ствола.

Известен лигносульфатный реагент, получаемый путем взаимодействия конденсированной сульфит-спиртовой барды (КССБ) с бихроматом щелочного металла в водной среде при температуре 80-90°С, причем бихромат щелочного металла используют в количестве 0,5-1,0 мас.% от массы КССБ (SU 1491876, кл. С 09 К 7/00, 1989 г.).

Однако полученный таким способом реагент неудовлетворительно регулирует фильтрационные показатели глинистых буровых растворов, особенно при температуре 180°С.

Известен также реагент для глинистых буровых растворов, получаемый в процессе обработки водорастворимого полимера сернокислым железом и хроматом, и последующего нагревания смеси (RU, 2106383, кл. С 09 К 7/00, 1998 г.). В качестве водорастворимого полимера используют моносахариды, а обработку хроматом ведут в щелочной среде при рН 8-9 при молярном соотношении моносахаридов и хромата 1:0,5-1:1.

Получаемый по известному способу реагент обладает хорошим разжижающим действием, но недостаточно полно регулирует фильтрационные свойства буровых растворов.

Известен лигносульфатный реагент для обработки глинистых буровых растворов, получаемый при температуре 60-70°С в процессе перемешивания лигносульфоната, серной кислоты и формалина с последующей нейтрализацией смеси едким натром (RU 2098447, кл. С 09 К 7/00, 1997 г.). Реакционную смесь берут при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: лигносульфонат 94-95, формалин 2-3, серная кислота 3-4. Недостатком известного реагента является невысокая разжижающая способность и низкая способность к снижению фильтрации глинистых растворов.

Известен реагент для глинистых буровых растворов, включающий смесь таллового пека, гидроксида натрия и торфа (RU 2139908, кл. С 09 К 7/00, 1999 г.). Талловый пек является кубовым остатком ректификации таллового масла и состоит из нейтральных и окисляемых органических веществ, смоляных кислот и жирных кислот. Смесь спекают в течение 1-2 час при температуре 120-150°С.

После резкого охлаждения смеси от температуры спекания до температуры окружающей среды получают твердый, хрупкий хорошо растворимый продукт коричневого цвета. Реагент может быть получен в рамках существующих технологий лесохимических производств и применен при бурении скважин введением дозированных количеств в циркулирующий буровой раствор. Известному реагенту присущи эффективные ингибирующие и смазочные свойства за счет образования специфичных межмолекулярных соединений.

Наиболее близким аналогом для заявленного реагента стабилизатора для буровых растворов является реагент-стабилизатор для буровых растворов, полученный в виде продукта термообработки в водном растворе щелочи лигносульфонатов, таллового пека и карбоксиметилцеллюлозы в условиях перемешивания и удаления паров воды, являющегося полимерной композицией в форме стабильной водной суспензии, причем температура термообработки 210-240°С, а соотношение компонентов следующее, мас.%: лигносульфонаты 36,5-39,0, талловый пек 36,5-39,0, щелочь 5,0-7,0, КМЦ 13,0-15,0, вода остальное в виде 40-45%-ного раствора щелочи (RU 2012770, кл. С 09 К 7/00, 1994).

Наиболее близким аналогом к заявленному концентрату бурового раствора является концентрат бурового раствора, представляющий собой порошкообразную смесь наполнителя - глинопорошка и измельченного отвердевшего при охлаждении реагента - стабилизатора для буровых растворов, полученного в виде продукта термообработки при температуре 90-104°С в водном растворе щелочи лигносульфонатов, таллового пека и КМЦ в условиях перемешивания, являющегося полимерной композицией в форме стабильной водной суспензии, при соотношении компонентов, мас.%: лигносульфонаты 36,5-39,0, талловый пек 36,5-39,0, щелочь 2,5-5,0, КМЦ 13-17,5, вода остальное в виде 50%-ного раствора щелочи, причем количество глинопорошка - 4,0-16,86 мас.%. (RU 2001091, кл. С 09 К 7/02, 1993).

Стабилизация буровых растворов плотностью 1040-1050 кг/м³ с использованием известного реагента обеспечивает низкие значения статистического напряжения сдвига, высокие значения фильтрации и коэффициента липкости (трения) глинистой корки. Чтобы привести в соответствие требованиям регламента расход реагента увеличивают до 10 мас.% и более. Проведенное авторами исследование процесса синтеза известного реагента показало, что низкое качество целевого продукта (реагента - стабилизатора) и нестабильность его физико-химических свойств от процесса к процессу обусловлено тем, что процесс получения продукта проводится в отсутствие критерия завершенности процесса его формирования.

Известный концентрат характеризуется недостаточной растворимостью в водной среде, а также слеживаемостью. Для его растворения в воде необходим обязательный нагрев воды или глинистого раствора. Из-за дополнительных энергозатрат его использование ограничивается предприятиями, обеспеченными в достаточном количестве энергоресурсами.

В рамках данной заявки решается задача получения улучшенных и воспроизводимых структурно механических свойств реагента, обеспечивающих повышение значений статического напряжения сдвига и снижение уровня фильтрации буровых растворов при одновременном снижении уровня расхода реагента, при сохранении термоустойчивости в условиях солевого воздействия до 180°С, повышения эффективности диспергирующегося в водной среде и экономичного концентрата бурового раствора.

Поставленная задача решается тем, что реагент-стабилизатор для буровых растворов, полученный в виде продукта термообработки в водном растворе щелочи лигносульфонатов, таллового пека и карбоксиметилцеллюлозы КМЦ в условиях перемешивания и удаления паров воды, являющегося полимерной композицией в форме стабильной водной суспензии, характеризуется тем, что удаление паров воды контролируемое, а указанная суспензия имеет значение вязкости 4000-7000 сантипуаз (спз).

Причем указанная суспензия включает водорастворимую часть, содержащую в том числе низкозамещенные простые эфиры целлюлозы и соли щелочного металла КМЦ, и водонерастворимую часть, содержащую в том числе полизамещенные эфиры целлюлозы, температура термообработки 90-110°С, соотношение указанных ингредиентов следующее, мас.%: лигносульфонаты 15-18, талловый пек 54-58, щелочь 8-18, КМЦ 18-20, вода остальное, водный раствор щелочи имеет показатель рН 9,5-11.

Поставленная задача также решается тем, что концентрат бурового раствора, представляющий собой порошкообразную смесь наполнителя и измельченного отвердевшего при охлаждении реагента-стабилизатора для буровых растворов, полученного в виде продукта термообработки в водном растворе щелочи лигносульфонатов, таллового пека и карбоксиметилцеллюлозы КМЦ в условиях перемешивания, являющегося полимерной композицией в форме стабильной водной суспензии, характеризуется тем, что при указанном перемешивании осуществляют контролируемое удаление паров воды, указанная суспензия имеет значение вязкости 4000-7000 сантипуаз (сПз), а указанная смесь имеет водорастворимую и водонерастворимую составляющие при их массовом отношении (6,5-21,5):(78, 5093, 5) соответственно. Причем указанная суспензия включает водорастворимую часть, содержащую в том числе низкозамещенные простые эфиры целлюлозы и соли щелочного металла КМЦ, и водонерастворимую часть, содержащую в том числе полизамещенные эфиры целлюлозы, в качестве наполнителя он содержит глинопорошок либо мел.

Сущность изобретения состоит в установлении причинно-следственной связи между такими свойствами глинистого бурового раствора как статическое напряжение сдвига, а также степень фильтрации, и физико-химическим состоянием реагента в момент завершения процесса его синтеза в виде стабильной полимерной водной суспензии, величиной вязкости этой суспензии при температуре обработки (синтеза) и составом реакционной смеси. Для выявления этой взаимообусловленности было изучено в условиях протекания обратимых реакций органического синтеза сложное реологическое поведение полимерной композиции, когда одновременно проявляются вязкие и пластические свойства. При отсутствии общего реологического уравнения состояния вещества авторами экспериментально были найдены те оптимальные значения величины вязкости полимерной дисперсионной системы в форме суспензии при температуре обработки 90-110°С для данного состава реакционной смеси, при которых обеспечиваются требуемые значения пластической вязкости и динамическое напряжение сдвига бурового раствора. Этот установленный опытным путем диапазон значений вязкости суспензии является критерием готовности и качества реагента-стабилизатора, поскольку отражает его физико-химическое состояние, определяющее в свою очередь свойства бурового раствора плотностью 1040-1050 кг/м³. Полученный полимерный реагент с заданными реологическими свойствами обладает устойчивостью в широком диапазоне рН и минерализации.

Настоящее изобретение касается, по существу, быстро диспергирующегося в воде концентрата бурового раствора и стабильных полимерных суспензий, которые могут быть высушены для получения таких концентратов. В особенности изобретение касается концентрата бурового раствора, содержащего нерастворимую в воде и растворимую в воде составляющие, упрочненных частицами нерастворимого в воде полимера, которые, будучи по своей природе способны к слипанию, являются в основном не слипшимися. Авторами экспериментально было найдено оптимальное соотношение между растворимой в воде и нерастворимой составляющими для данного физико-химического состава реагента-стабилизатора. Такой концентрат может быть легко вновь диспергирован в воде. Отсутствие слипаемости способных к слипанию и нерастворимых в воде частиц делает такой концентрат легко вновь диспергируемым в водной среде.

Пример. Сущность изобретения поясняется способом получения данного реагента-стабилизатора. В качестве ингредиентов реакционной смеси были использованы порошкообразные лигносульфонаты марки ЛСТ на натриево-кальциевом основании производства Котласского ЦБК, а также карбоксиметилцеллюлоза марки КМЦ-9С, термостойкая модификация производства ЗАО Полицел", г. Владимир.

Продукт получают следующим образом. В качестве исходных ингредиентов реакционной смеси используются лигносульфонаты, талловый пек, карбоксиметилцеллюлозу и водный раствор щелочи в рамках диапазона концентраций ингредиентов согласно изобретению. При постоянном перемешивании к расплаву таллового пека, взятому в расчетном количестве и нагретому до температуры обработки (синтеза) 94°С, добавляют водный раствор щелочи, например едкого калия с концентрацией 40-42 мас.%. Продолжая перемешивать при температуре термообработки 94°С, в водный раствор щелочи с талловым пеком вводят порошкообразные лигносульфонаты и КМЦ-9С. Термообработку реакционной смеси проводят при температуре не выше 110°С в течение 6-7 часов. В процессе синтеза целевого продукта контролируют его вязкость и удаление в систему очистки и нейтрализации воды в виде водяных паров и газообразных побочных продуктов реакции взаимодействия ингредиентов реакционной смеси в соотношении, мас.%: лигносульфонаты 15, талловый пек 54, щелочь 8 КМЦ 18, вода 5, показатель рН 10. Реакционную массу перемешивают до образования однородной массы. В результате протекания физико-химических реакций образуется стабильная полимерная суспензия, включающая водорастворимую часть, содержащую в том числе низкозамещенные простые эфиры целлюлозы и соли щелочного металла КМЦ, и водонерастворимую часть, содержащую в том числе полизамещенные эфиры целлюлозы. Наряду с низкомолекулярными водорастворимыми производными образуются модифицированные карбоксильными группами, но нерастворимые в воде соединения с большой молекулярной массой. Растворимый в воде компонент способен ингибировать слипаемость частиц водонерастворимого компонента. Полученная суспензия со значениями вязкости в диапазоне 4000-7000 сПз представляет продукт, обладающий новыми свойствами, обеспечивающими придание буровым растворам требуемых структурно-механических и реологических показателей, в том числе устойчивость в минерализованных средах и снижение фильтрационных показателей. После окончания процесса синтеза продукта (реагента-стабилизатора), момент которого определяют по достижению величины вязкости пробы значения 5000 сПз, полученную вязкую массу упаривают при температуре 90-95°С до остаточной влажности 1-3 мас.% и щелочности рН 10,5-11,0, после чего в реакторе создают избыточное давление и равномерно в течение расчетного времени с определенной скоростью в режиме принудительного охлаждения на воздухе до температуры окружающей среды выдавливают полученную массу по трубопроводу с электрообогревом на металлическую транспортерную ленту. В процессе охлаждения массы происходит ее отвердение. Массу отливают в виде плит толщиной 15-18 мм и шириной 300-320 мм. Температура размягчения полученных образцов составляет 93-95°С.

После измельчения на молотковой дробилке отвердевшего при охлаждения материала он может иметь вид порошка.

Для приготовления порошкообразного концентрата бурового раствора (ПКБР) измельченный отвердевший при охлаждении реагент-стабилизатор перемешивают с наполнителем - бентонитовым глинопорошком - при их соотношении, мас.%: 11 и 89 соответственно. Полученный ПКБР имеет массовое соотношение водорастворимой и водонерастворимой составляющих 8,3 и 91,7 соответственно. Получаемый с использованием заявленного реагента-стабилизатора порошкообразный, легкодиспергируемый в воде концентрат бурового раствора, содержащий наполнителя 8-90, реагента-стабилизатора 10-92 мас.%, обеспечивает высокие и воспроизводимые значения статического напряжения сдвига глинистого раствора с минимальной фильтрацией 1,0 см³/30 мин и коэффициента липкости глинистой корки 0,04-0,05 при плотности буровых растворов 1040-1050 кг/м³. Концентрат характеризуется высокой устойчивостью его частиц к слеживаемости ввиду отсутствия слипаемости составляющих концентрата бурового раствора.

Буровые растворы готовят на водопроводной воде без дополнительного подогрева, т.е. при температуре 18-20°С. Время перемешивания раствора на лабораторной мешалке после добавления порошкообразного концентрата бурового раствора составляет порядка 30 минут.

Заявленные соотношения водорастворимой и водонерастворимой составляющих концентрата бурового раствора соответствуют оптимальным значениям, установленным на основании экспериментальных лабораторных исследований физических и структурно-механических свойств, значений технологических параметров буровых растворов и их соответствия предъявленным требованиям при разбуривании осыпающихся глинистых пород и вскрытии продуктивных пластов с пониженным пластовым давлением.

Изобретение может быть использовано при производстве полимерных реагентов-стабилизаторов, которые могут находить применение в качестве компонентов для быстро диспергирующихся в воде концентратов буровых растворов, а также и для других композиций с иным конечным применением. Изобретение предусматривает получение стабильных водных полимерных суспенций (дисперсий), характеризующихся оптимальными реологическими свойствами и позволяющих получать такие быстро диспергирующиеся в воде концентраты буровых растворов. Это приводит к ряду коммерческих преимуществ, включая способность получать и хранить сухой продукт - порошкообразный концентрат бурового раствора, который позднее может быть легко вновь диспергирован при производстве буровых растворов. Сухие порошкообразные повторно диспергирующиеся концентраты буровых растворов снижают стоимость перевозимых материалов.

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, а именно к производству химических реагентов для обработки буровых растворов различной степени минерализации, предназначенных для бурения глубоких и сверх глубоких скважин на нефть и газ. Техническим результатом является получение улучшенных и воспроизводимых структурно-механических свойств реагента, обеспечивающих повышение значений статического напряжения сдвига и снижение уровня фильтрации буровых растворов при одновременном снижении уровня расхода реагента, при сохранении термоустойчивости в условиях солевого воздействия до 180⁰С, повышения эффективности диспергирующегося в водной среде и экономичного концентрата бурового раствора. Реагент-стабилизатор буровых растворов, полученный в виде продукта термообработки в водном растворе щелочи лигносульфонатов ЛСТ, таллового пека ТП и карбоксиметилцеллюлозы КМЦ в условиях перемешивания и контролируемого удаления паров воды, являющегося полимерной композицией в форме стабильной водной суспензии со значением вязкости 4000-7000 сантипуаз. Причем указанная суспензия включает водорастворимую часть, содержащую в том числе низкозамещенные простые эфиры целлюлозы и соли щелочного металла КМЦ, и водонерастворимую часть, содержащую в том числе полизамещенные эфиры целлюлозы, температура термообработки 90 – 110⁰С, а соотношение указанных ингредиентов, мас.%: ЛСТ 15 – 18,ТП 54 – 58, щелочь 8 – 18, КМЦ 18 – 20, вода остальное, водный раствор щелочи имеет показатель рН 9,5 – 11. Концентрат бурового раствор, представляет собой порошкообразную смесь наполнителя и измельченного отвердевшего при охлаждении реагента – стабилизатора для буровых растворов указанного выше, а указанная смесь имеет водорастворимую и водонерастворимую составляющие при их массовом отношении (6,5-21,5) : (78,5-93,5) соответственно. Причем в качестве наполнителя он содержит глинопорошок либо мел. 2 н. и 6 з.п.ф-лы.

1. Реагент-стабилизатор для буровых растворов, полученный в виде продукта термообработки в водном растворе щелочи лигносульфонатов, таллового пека и карбоксиметилцеллюлозы КМЦ в условиях перемешивания и удаления паров воды, являющегося полимерной композицией в форме стабильной водной суспензии, отличающийся тем, что удаление паров воды контролируемое, а указанная суспензия имеет значение вязкости 4000-7000 сП.2. Реагент по п.1, отличающийся тем, что указанная суспензия включает водорастворимую часть, содержащую в том числе низкозамещенные простые эфиры целлюлозы и соли щелочного металла КМЦ, и водонерастворимую часть, содержащую, в том числе, полизамещенные эфиры целлюлозы.3. Реагент по п.1, отличающийся тем, что температура термообработки 90 – 110°С, а соотношение указанных ингредиентов следующее, мас.%:

Лигносульфонаты 15 – 18

Талловый пек 54 – 58

Щелочь 8 – 18

КМЦ 18 – 20

Вода Остальное

Лигносульфонаты 15 – 18

Талловый пек 54 – 58

Щелочь 8 – 18

КМЦ 18 – 20

Вода Остальное