МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ РЕАГЕНТ ДЛЯ ОБРАБОТКИ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ "КЕМФОР-МСМГ" И СПОСОБ ОБРАБОТКИ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ Российский патент 2004 года по МПК C09K7/02 

Настоящее изобретение относится к бурению нефтяных и газовых скважин, может быть использовано при приготовлении реагента для буровых растворов и предназначено для осуществления технологии химической обработки буровых растворов.

Известно использование для обработки буровых растворов сульфатного мыла [1, 2, 3]. Но в исходном (сыром) виде применение этого вещества крайне осложнено замерзанием и невозможностью дозирования при отрицательных температурах, интенсивным вспениванием буровых растворов, большими расходами.

Широко описано использование в качестве добавок для буровых растворов производных сульфатного мыла: сырых талловых масел [4, 5, 6]; легкого таллового масла [7, 8, 9, 10, 11]; кислот дистиллята таллового масла [12, 13]; их амидов [14]. Указанные выше композиции имеют лишь специфическое применение, как смазочные добавки. Однако, обладая хорошими смазывающими свойствами, даже при больших расходах на обработку буровых растворов эти вещества незначительно снижают фильтрацию.

Описано применение в буровых растворах растительных масел [15]; продуктов их переработки [16, 17]; соапстоков [18, 19]. Известно применение в практике бурения минеральных масел [20] и их композиций с жирными кислотами [21, 22] и др. Упомянутые аналоги имеют свою специфику и ограничения: самостоятельно не создают и не поддерживают тиксотропные системы, не обладают противофильтрационными свойствами.

Известен реагент для обработки глинистых растворов “Кемфор-МСМ” [23], содержащий эфиры целлюлозы или крахмала и сульфатное мыло, при этом он содержит ингредиенты при их следующем соотношении, мас.%:

эфиры целлюлозы или крахмала 2,5-10

сульфатное мыло

(на сухой остаток) 90-97,5

Многофункциональный реагент “Кемфор-МСМ”, взятый нами в качестве прототипа, по сравнению с известными является также высокоэффективным. Но этот реагент характеризуется негативной способностью техногенного аэрирования, проявляющегося во вспенивании бурового раствора при его перемешивании, движении и воздействии агрегатов очистной системы буровых установок. По химической природе в реагенте недостаточно реализованы возможности предотвращения или ослабления сложных (комбинированных) видов трения [23].

Технической задачей предлагаемого решения является устранение техногенного аэрирования буровых растворов, придание им универсальных смазочных и противоизносных свойств при комбинированных видах трения, кратное снижение прихватоопасных свойств глинистых буровых растворов за счет уменьшения напряжения сдвига и коэффициента трения по фильтрационной корке, снижение скорости износа бурового инструмента за счет интенсификации смазочных свойств глинистых буровых растворов, повышение термостойкости буровых растворов.

Поставленная задача в многофункциональном реагенте для обработки буровых растворов, содержащем сульфатное мыло, эфиры целлюлозы или крахмала, минеральное или растительное масло и графит, решается тем, что он содержит указанные ингредиенты при следующем соотношении, мас.%:

сульфатное мыло (на сухой остаток) 67,5-87,75

эфиры целлюлозы или крахмала 1,55-9,0

графит 1,66-12,5

минеральное масло с кинематической

вязкостью при 20°С не более

49 мм²/с (сСт) или растительное масло

с кинематической вязкостью при

20°С не более 6,7 мм²/с (сСт) 3,34-16,7

Существенными отличительными признаками в заявленном изобретении являются:

- многофункциональный реагент для обработки глинистых буровых растворов дополнительно содержит минеральное или растительное масло и графит при следующем соотношении компонентов, мас.%:

- минеральное масло с кинематической вязкостью при 20°С не более 49 мм²/С (сСт) 3,34-16,7;

- или растительное масло с кинематической вязкостью при 20°С не более 6,7 мм²/c (cCT) 3,34-16,7;

- графит 1,66-12,5.

Известен способ обработки буровых растворов, включающий введение в буровые растворы реагента, состоящего из эфиров целлюлозы или крахмала и сульфатного мыла, при этом указанный реагент, полученный из мас.%: эфиров целлюлозы или крахмала 2,5-10 и сырого сульфатного мыла (на сухой остаток) 90-97,5, вводят в буровой раствор в количестве 0,25-1,0 мас.% от объема бурового раствора [23].

Недостатком известного способа обработки буровых растворов, взятого нами в качестве прототипа, является негативная способность техногенного аэрирования, проявляющегося во вспенивании бурового раствора при его перемешивании, движении и воздействии агрегатов очистных систем буровых установок.

Технической задачей заявленного способа обработки буровых растворов является устранение техногенного аэрирования буровых растворов, придание им универсальных смазочных и противоизносных свойств при комбинированных видах трения, кратное снижение прихватоопасных свойств глинистых буровых растворов за счет уменьшения напряжения сдвига и коэффициента трения по фильтрационной корке, снижение скорости износа бурового инструмента, за счет интенсификации смазочных свойств глинистых буровых растворов, повышение термостойкости буровых растворов.

Для реализации технического решения использовано сульфатное мыло-сырец, которое представляет собой мазеобразное вещество от темно-желтого до темно-коричневого цвета. Сульфатное мыло состоит из приблизительно равных количеств натриевых солей смоляных и жирных кислот и сравнительно меньшего количества окисленных и неомыляемых веществ. В составе загрязнений находится значительное количество лигнина, минеральных и других веществ, содержащихся в черном щелоке и извлекаемых при отстаивании выделяющимся сульфатным мылом. Количественные характеристики сульфатного мыла представлены в табл. 1.

В техническом решении использованы минеральные масла - жидкие смеси углеводородов: а) дистиллятные - полученные дистилляцией нефти; б) остаточные - полученные удалением компонентов из гудронов; в) компаундированные - полученные смешением дистиллятных и остаточных минеральных масел. В частности, индустриальные масла - это дистиллятные нефтяные масла малой и средней вязкости (5-50 мм²/c при 50°С). Компрессорные масла с вязкостью 7-30 мм²/с при 100°С получают глубокой очисткой нефтяных масел.

Использованы распространенные, с относительно низкой стоимостью жидкие растительные масла. Качественные характеристики минеральных и растительных масел представлены в табл. 2.

Графит - модификация углерода, кристаллизующаяся в гексагональной слоистой структуре. Применен графит смазочный марки П по ГОСТ 8295-73, который характеризуется массовой долей углерода не менее 91%, зольностью не более 7% и рН водной вытяжки 6,0-8,2.

Использованы эфиры целлюлозы и крахмала производства ЗАО “Поли-целл” (г. Владимир). Их характеристики представлены в табл. 3.

В известном способе обработки буровых растворов поставленная задача решается введением в буровые растворы реагента, полученного при следующем составе и соотношении компонентов, мас.%: эфиров целлюлозы или крахмала 2,5-10 и сырого сульфатного мыла (на сухой остаток) 90,0-97,5, а реагент вводят в количестве 0,25-1,00% от массы бурового раствора.

Существенными отличительными признаками заявленного способа применения реагента для буровых растворов являются:

- реагент дополнительно содержит минеральное или растительное масло и графит, полученный из мас.%: эфиров целлюлозы или крахмала 1,55-9,0, сырого сульфатного мыла (на сухой остаток) 67,5-87,5; графита 1,66-12,5; минерального масла с кинетической вязкостью при 20°С не более 6,7 мм²/c (сСт) 3,34-16,7;

- реагент вводят в количестве 0,2-2,5% от массы бурового раствора.

Вышеприведенные существенные отличительные признаки многофункционального реагента для обработки буровых растворов и способа обработки буровых растворов нам были неизвестны из патентной и научно-технической информации, и в связи с этим мы считаем, что они являются новыми, т.е. обладают новизной.

Достигнутая предлагаемым многофункциональным реагентом эффективность предотвращения техногенного аэрирования связана с синергетическими механизмами саморазрушения пенных пленок, содержащих микрочастицы графита, и слабопрочных пленок, включающих эмульгированные субмикрокапли минеральных или растительных масел. Отмеченная особенность механизма антивспенивания неочевидна, не описана в научно-технических публикациях и является аспектом соответствия заявляемого решения критерию “изобретательский уровень”.

Заявленное изобретение успешно прошло лабораторные испытания и апробацию при бурении скважин, что позволяет нам утверждать о его соответствии критерию “промышленная применимость”.

Для конкретизации соответствия заявляемого решения критерию “промышленная применимость” приводим примеры получения реагента:

Пример 1 (прототип)

К 100 г сырого сульфатного мыла с остаточной влажностью до 30% добавляют 1,8-2,0 г карбоксиметилцеллюлозы марки 7С. После удаления около 30 мас.% воды получается реагент состава 1 (по табл.4), содержащий 97,5 мас.% сухого остатка сульфатного мыла, 2,5 мас.% карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) с влажностью около 2 мас.%.

Пример 2

К 100 г сырого сульфатного мыла добавляют 1,8-2,0 г Na-карбоксиметилцеллюлозы марки 7С, а затем обрабатывают смесью трансформаторного масла марки ТСп и графита при соотношении 2:1 в количестве 20% к массе сухого полупродукта. Получается реагент состава №15 (по табл.4), содержащий 78% сухого остатка сульфатного мыла, 2,0% Na-КМЦ (марки 7С), 6,64% графита и 13,36% трансформаторного масла (марки ТСп).

В соответствии с указанным примером были приготовлены различные рецептуры реагента, отличающиеся количественным соотношением ингредиентов (табл. 4), качественным составом используемых масел (табл. 5) и качественным составом эфиров целлюлозы или крахмала (табл. 6).

Для экспериментальной проверки заявляемого способа обработки буровых растворов был приготовлен 101 состав реагента (табл.4-6). Технология обработки заключалась во введении реагента с заявляемым соотношением компонентов в предварительно подготовленный модельный буровой раствора и перемешивании в течение 0,5-1 ч на лопастной механической мешалке при скорости 500 об/мин.

Полученный реагент – гранулированное вещество с размерами фракций преимущественно 5-15 мм (до 75%). Внешне реагент представляет собой пористые маслянистые гранулы черного или серебристо-черного цвета; легко дозируется, не смерзается. Влажность не более 5-7%. Растворимость реагента (помимо графитового компонента) 99-100%. Показатель концентрации ионов водорода для 1%-ного раствора 9,5-10,5. При необходимости усилить определенные свойства бурового раствора соотношение компонентов в реагенте можно изменять Полученный реагент не относится к коррозионным, радиационным, взрывчатым веществам и не обладает свойствами самовозгорания.

Реагент испытывали в соответствии с РД 39-22-645-81 “Методика контроля параметров буровых растворов” на модельных буровых растворах, приготовленных на промышленных глинопорошках. Противоизносные характеристики буровых растворов определяли на машине трения МТ-2, коэффициент трения глинистой корки на приборе ФСК-2, коэффициент липкости глинистой корки на усовершенствованном приборе ВСН-2.

У модельных буровых растворов, обработанных реагентом с концентрациями компонентов ниже и выше заявляемых значений, не решается задача, поставленная изобретением в области устранения техногенного пенообразования и эффективного снижения триботехнических параметров (противоизносных и комбинированных процессов трения).

По табл. 7 в примерах №№5, 6, 29, 30, 53, 54 качественный состав реагента выходит за пределы формулы. В примерах №№2, 3, 10-12, 17-19, 23, 24, 26, 27, 34-36, 41-43, 47, 48, 50, 51, 58-60, 65-67, 71, 72 количественные соотношения между компонентами реагента выходят за пределы, заявленные в формуле изобретения. И, как следствие, техническое решение не достигается или не является эффективным.

Вышеперечисленные реагенты, в которых не соблюдаются указанные соотношения, придают модельным растворам значительную вспениваемость, пониженную термостойкость, высокие значения коэффициентов трения и липкости и кратно большие триботехнические характеристики.

Введение масляно-графитовой смеси менее 10% не обеспечивает устранение техногенного аэрирования и достаточного улучшения триботехнических свойств, а увеличение содержания пропиточного состава более 25% экономически нецелесообразно, т.к. при этом не отмечается рост показателей полезных свойств, но увеличивается фильтрация жидкой фазы бурового раствора.

Из таблиц составов реагента 4-6 и таблиц испытаний 7-9 видно, что областью оптимального содержания компонентов можно считать, мас.%:

сульфатное мыло (на сухой остаток) 67,5-87,75

эфиры целлюлозы или крахмала 1,55-9,0

графит 1,66-12,5

минеральное или растительное масло 3,34-16,7

Заявляемый многофункциональный реагент для обработки буровых растворов по химической природе является сбалансированным концентратом анионных ПАВ-натриевых солей и свободных жирных кислот сульфатного мыла, триглицеридов и углеводородов. Поэтому реагент особенно эффективен как противоизносная добавка при высоких контактных нагрузках прижатия (18-22 МПа).

В результате применения многофункционального реагента с предлагаемым составом в среде буровых растворов происходит химическое модифицирование поверхностей трения, и образуется объемный комбинированный смазочный слой. На графитовой пленке высокой твердости, прочность и модуль упругости которой увеличивается с повышением температуры, плоско адсорбируются молекулы жирных (карбоновых) кислот и солей сульфатного мыла, и комплементарно распределяются молекулы минеральных или растительных масел, образуя полимолекулярные слои. Образование их обеспечивает повышенные стойкости долотной стали к усталостному износу.

Существенным преимуществом заявляемого многофункционального реагента является регулируемое снижение коэффициента поверхностного натяжения фильтрата буровых растворов (табл. 9), что благоприятно влияет на процессы вскрытия продуктивных интервалов и в значительной мере уменьшает энергоемкость процесса разрушения горных пород за счет снижения их твердости.

Анализ известных технических решений показал, что в науке и технике нет объекта, аналогичного по заявляемой совокупности признаков и преимуществ, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критериям “новизна” и “изобретательский уровень”.

Анализ результатов экспериментов (таблицы 7-9) показывает, что индивидуальные, разрозненные компоненты состава реагента и отдельные их сочетания не могут обеспечить такие технологические свойства бурового раствора, которые придает ему заявляемый многофункциональный реагент.

Указанные выше технические результаты обеспечиваются совместным применением впервые в качестве реагента, предотвращающего техногенное аэрирование и синергетически интенсифицирующего противоизносную, смазочную и противоприхватную активность, масляно-графитовых смесей в сочетании с сульфатным мылом и эфирами целлюлозы и крахмала.

Изобретение обладает изобретательским уровнем, поскольку возможность снижения техногенного аэрирования буровых растворов путем применения масляно-графитовых смесей и придания нового комплекса технологических свойств заявляемым новым качественным и количественным составам многофункционального реагента для специалиста явным образом не следует из уровня техники.

Характерные свойства данного многофункционального реагента для обработки буровых растворов не вытекают из свойств компонентов, а проявляются только в их совокупности в указанных соотношениях. Это также свидетельствует о соответствии заявляемого решения критериям “новизна” и “изобретательский уровень”.

Сопоставительный анализ позволяет сделать вывод, что заявляемый многофункциональный реагент для обработки буровых растворов отличается от известного прототипа введением новых компонентов, а именно минеральных или растительных масел и графита.

Практическая применимость нового способа обработки бурового раствора подтверждена при промышленном применении заявляемого реагента на бурящихся скважинах.

Первичная обработка бурового раствора (для улучшения смазочных свойств и качества глинистой корки) производится при добавке реагента в количестве 5-10 кг на 1 м³ раствора, находящегося в циркуляционной системе и скважине, в виде смеси с глинопорошком, для чего:

- в глиномешалку, на 2/3 заполненную водой, загружается 250-500 кг заявляемого реагента и перемешивается до растворения (подогрев воды до 20-30°С ускоряет растворение);

- добавляется глинопорошок в количестве 150-200 кг, и смесь вновь перемешивается в течение 0,5 ч.

Глинистая суспензия с реагентом вводится в буровой раствор в течение цикла.

Периодичность введения и концентрация многофункционального реагента при необходимости повторных обработок определяется в процессе бурения. Поддержание концентрации заявляемого реагента осуществляется добавками его в количестве 50-80 кг на 4 м³ бурового раствора на основе бентонитовых глин, приготавливаемого для пополнения циркулирующего объема.

Для большего повышения устойчивости стенок скважин, усиления противофильтрационных и смазывающих свойств содержание заявленного многофункционального реагента для обработки буровых растворов повышают до 1,5-2,5% от массы раствора. В зависимости от состава реальных буровых растворов введение заявленного реагента может уменьшать вязкость и СНС (в растворах средней и большой плотности) или увеличивать эти параметры. Перед работой на скважинах необходимо проверить технологическое воздействие введения реагента в пробы реальных буровых растворов в лабораторных условиях. При необходимости разжижения раствора желательно использовать реагент ГКЖ-10 (11). Заявляемый многофункциональный реагент для обработки буровых растворов совместим со всеми компонентами буровых растворов на водной основе.

Эффективность способа обработки буровых растворов обусловливается синергетическим взаимодействием компонентов реагента (группы примеров №№4, 5, 6; 28, 29, 30; 52, 53, 54 по табл. 7).

Заявляемый многофункциональный реагент для обработки буровых растворов предназначен для решения следующих задач:

уменьшения толщины и повышения плотности глинистой корки, существенного снижения фильтрации бурового раствора в прискважинную толщу породы и ингибирования разупрочнения породы;

- замедления диспергации пород в скважине;

- существенного снижения адгезионных свойств фильтрационной корки и коэффициента трения на поверхности корки, породы, внутренней поверхности обсадных труб;

- оптимизации реологических характеристик бурового раствора и улучшения условий выноса шлама;

- улучшения качества вскрытия пород-коллекторов, в том числе облегчения восстановления их проницаемости после бурения.

Реагент сохраняет свои свойства при температуре в скважине до 150-180°С.

Вследствие многофункциональности предлагаемого реагента реально обеспечение им комплекса улучшающих характеристик бурового раствора при проведении химической обработки и снижение ее стоимости.

Ходатайствуем о присвоении заявляемому многофункциональному реагенту для обработки глинистых буровых растворов наименования “Кемфор-МСМГ”.

Источники информации

1. Эпштейн Е.Ф., Титаренко Н.К., Давиденков А.Н. и др. “Сульфатное мыло, как смазывающая добавка к буровым растворам”. В кн. “Вопросы глубокого бурения на нефть и газ”. Львов: УкрНИГРИ, вып. 4, 1974, с. 74-76 (аналог).

2. Исследование влияния химических реагентов на смазочные свойства буровых растворов /В.Д.Тур, Л.М.Софрыгина, Н.Б.Пономарева, Н.А.Шаврина. В сб. трудов ВНИИГНИ “Технология бурения и испытания поисковых и разведочных скважин”, вып. 247, М., 1983, с. 122-131 (аналог).

3. Применение отходов целлюлозно-бумажной промышленности для бурения скважин на Крайнем Севере /Т.А.Мотылева, Н.Г.Кашкаров, Ю.Т.Ивченко, М.М.Шаляпин, Н.Н.Верховская М.: ВНИИЭгазпром, 1989, 26 с (обз. информ. Сер. Бурение газовых и газоконденсатных скважин, вып. 5) (аналог).

4. Авторское свидетельство СССР №1775455, МПК С 09 К 7/02, опубл. 15.11.92 (аналог).

5. Авторское свидетельство СССР №1792959, МПК С 09 К 7/02, опубл. 07.02.93 (аналог).

6. Авторское свидетельство СССР №1693018, МПК С 09 К 7/06, опубл. 23.11.91 (аналог).

7. Авторское свидетельство СССР №1542950, МПК С 09 К 7/02, опубл. 15.02.90 (аналог).

8. Патент РФ №2123023, МПК С 09 К 7/02 (МПК С 09 К 7/02), опубл. 10.12.98 (аналог).

9. Патент РФ №2142978, МПК С 09 К 7/02, опубл. 20.12.99 (аналог).

10. Патент РФ №2013434, МПК С 09 К 7/02, опубл. 30.05.94 (аналог).

11. Патент РФ №2118648, МПК С 09 К 7/02, опубл. 10.09.98 (аналог).

12. Авторское свидетельство СССР №883138, МПК С 09 К 7/02, опубл. 23.11.81 (аналог).

13. Авторское свидетельство СССР №1669966, МПК С 09 К 7/02, опубл. 15.08.91 (аналог).

14. Авторское свидетельство СССР №870427, МПК С 09 К 7/02, опубл. 07.10.81 (аналог).

15. Патент РФ №2130475, МПК С 09 К 7/02, опубл. 20.05.99 (аналог).

16. Патент РФ №2076132, МПК С 09 К 7/06, опубл. 27.03.97 (аналог).

17. Авторское свидетельство СССР №1808862, МПК С 09 К 7/06, опубл. 15.04.93 (аналог).

18. Авторское свидетельство СССР №715616, МПК С 10 М 1/06, опубл. 03.04.78 (аналог).

19. Авторское свидетельство СССР №1196369, МПК С 09 К 7/02, опубл. 07.12.85 (аналог).

20. Авторское свидетельство СССР №1002344, МПК С 09 К 7/02, опубл. 07.03.83 (аналог).

21. Авторское свидетельство СССР №1004440, МПК С 09 К 7/02, опубл. 19.12.80 (аналог).

22. Авторское свидетельство СССР №1208062, МПК С 09 К 7/02, опубл. 30.01.86 (аналог).

23. Патент РФ №2187530, МПК С 09 К 7/02, опубл. 20.08.2002, бюл. №23 (прототип).

Изобретение относится к бурению нефтяных и газовых скважин, может быть использовано при приготовлении реагента для буровых растворов и предназначено для осуществления технологии химической обработки буровых растворов. Техническим результатом является устранение техногенного аэрирования буровых растворов, придание им универсальных смазочных и противоизносных свойств при комбинированных видах трения, кратное снижение прихватоопасных свойств глинистых буровых растворов за счет уменьшения напряжения сдвига и коэффициента трения по фильтрационной корке, снижение скорости износа бурового инструмента за счет интенсификации смазочных свойств глинистых буровых растворов, повышение термостойкости буровых растворов. Многофункциональный реагент для обработки буровых растворов, содержащий сульфатное мыло и эфиры целлюлозы или крахмала, дополнительно содержит минеральное или растительное масло и графит при следующем соотношении компонентов, мас.%: сульфатное мыло (на сухой остаток) 67,5 - 87,75, эфиры целлюлозы или крахмала 1,55 - 9,0, графит 1,66 - 12,5, минеральное масло с кинематической вязкостью при 20°С не более 49 мм²/с (сСт) или растительное масло с кинематической вязкостью при 20°С не более 6,7 мм²/с (сСт) 3,34 - 16,7. В способе обработки буровых растворов, включающем введение в буровые растворы многофункционального реагента, указанный реагент вводят в количестве 0,2 - 2,5 % от массы бурового раствора. 2 н.п. ф-лы, 9 табл.

1. Многофункциональный реагент для обработки буровых растворов, содержащий сульфатное мыло и эфиры целлюлозы или крахмала, отличающийся тем, что он дополнительно содержит минеральное или растительное масло и графит при следующем соотношении компонентов, маc.%:

Сульфатное мыло (на сухой остаток) 67,5-87,75

Эфиры целлюлозы или крахмала 1,55-9,0

Графит 1,66-12,5

Минеральное масло с кинематической

вязкостью при 20°С не более

49 мм²/с (сСт) или растительное масло

с кинематической вязкостью

при 20°С не более 6,7 мм²/с (сСт) 3,34-16,7