БИОКАТИОННЫЙ БУРОВОЙ РАСТВОР Российский патент 2006 года по МПК C09K8/08 

Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин, в частности, к буровым растворам.

Общеизвестно, что единственным методом регулирования гидростатического давления столба бурового раствора является изменение его плотности путем введения инертных утяжеляющих материалов. В настоящее время доказано, что большое количество твердой фазы в буровом растворе отрицательно сказывается на технико-экономических показателях бурения. Поэтому, наиболее перспективным является создание растворов без твердой фазы, плотность которых регулируется добавками водорастворимых солей. Так, известно семейство высокоплотных промывочных жидкостей на основе рассолов бромидов кальция и цинка [1]. Эти промывочные жидкости плотностью до 1800 кг/м³ имеют достаточно высокие технологические показатели, но очень дорогостоящи и экологически неудовлетворительны, и, в связи с этим, их применение не всегда экономически оправдано.

В качестве прототипа, по совокупности основных технологических характеристик, выбран хлоркальциевый буровой раствор на водной основе, содержащий катионную гамму, включающую хлорид кальция и/или карбонат кальция и/или гидроксид натрия, а также полимерную присадку, включающую биополимерный загуститель и крахмальный модифицирующий агент для загустителя [2]. Данный буровой раствор разработан с целью максимального снижения прихватоопасности при проведении буровых работ, что обеспечивается уменьшением толщины фильтрационной корки на стенке скважины и повышением устойчивости горизонтальных стволов. Биополимерный загуститель N-VIS НВ обеспечивает высокие удерживающие и выносящие свойства бурового раствора, а также демонстрирует отличную термосолестойкость при термобарических воздействиях.

Однако раствор-прототип обладает рядом недостатков.

Во-первых, плотность хлоркальциевого бурового раствора без твердой фазы жестко ограничена водорастворимостью хлорида кальция и не может превышать 1390 кг/м³. Поэтому при вскрытии нефтеносных горизонтов с повышенным пластовым давлением хлоркальциевый раствор дополнительно утяжеляют карбонатным утяжелителем до адекватной плотности в интервале 1400-1550 кг/м³. Это приводит к повышенному содержанию твердой фазы в утяжеленном растворе, что увеличивает опасность твердофазной кольматации и потери продуктивности коллектора.

Во-вторых, использование в качестве полимерной присадки композиции биополимера с крахмальным реагентом не является оптимальным и не обеспечивает максимальное снижение жидкофазной кольматации продуктивной зоны. Дело в том, что жесткоцепные высокоориентированные полиспирали крахмала, так же, как и жесткие регулярные полиспирали биополимера, конформационно не взаимодействуют с катионами кальция, которые весьма сильно повышают гидрофобность полиэлектролитов, значительно ограничивая их растворимость и степень набухания в водной среде. Поэтому, фильтрационная полимерная корка, формирующаяся на стенках скважины, обладает повышенной гидрофобной пористостью, что приводит к трудностям, связанным с повышенной водоотдачей хлоркальциевого раствора, контролировать которую весьма затруднительно.

В-третьих, повышенная гидрофобность полимерной фильтрационной корки приводит к недостаточно эффективной смазочной активности хлоркальциевого раствора. При этом, гидрофобизированные полимерные пленки формируются, как на стенках горизонтального ствола, так и на поверхности бурильных труб, что значительно увеличивает адгезионную прихватоопасность.

Задачей изобретения является создание биокатионного бурового раствора без твердой фазы с плотностью 1070-1520 кг/м³, обладающего улучшенными антифильтрационными и смазочными свойствами.

Сущность изобретения состоит в том, что новый биокатионный буровой раствор на водной основе содержит катионный реагент и полимерную присадку и отличается тем, что в качестве катионной гаммы содержит хлориды кальция и натрия, а в качестве полимерной присадки содержит биополимер ксантанового ряда, % (мас.):

Катионная гамма10-60Полимерная присадка0,1-2ВодаОстальное

В ходе лабораторных испытаний по проверке эффективности предложенного биокатионного бурового раствора измерялись следующие свойства: показатель фильтрации (измерения проводились в течение 30 минут при давлении 7 атм); коэффициент трения (измерения проводились на приборе фирмы "Baroid"; реологические характеристики раствора: пластическая вязкость η_пл, динамическое напряжение сдвига τ_о, статическое напряжение сдвига через 1 и 10 мин (СНС) (измерения проводились на вискозиметре FANN фирмы "Baroid").

Биокатионный буровой раствор, по сравнению с прототипом, обладает следующими преимуществами.

Во-первых, плотность биокатионного раствора регулируется в более широких пределах от 1180 до 1520 кг/м³ без добавок твердофазного утяжелителя. Это достигается применением сочетаний солей кальция и натрия в соленасыщенной дисперсионной среде бурового раствора. В табл.1 приведены сведения о плотностях рассолов, которые можно получить, используя соли катионной гаммы, применяемые в биокатионном буровом растворе. Для этого обычно готовят водный раствор 1-валентного хлорида натрия заданной плотности, а затем утяжеляют хлоридом кальция до насыщения по двухвалентному катиону. Так, если плотность исходного раствора хлорида натрия была 1110 кг/м³, то введение хлористого кальция до насыщения обеспечит плотность рассола 1480 кг/м³. Весьма важно, что наиболее эффективные катионы кальция и натрия, используемые в биокатионном растворе, обладают отрицательной гидратацией. Это значит, что подвижность диполей воды в их гидратных оболочках выше, по сравнению с подвижностью объемной воды. Это обеспечивает высокую взаимную растворимость солей кальция и натрия даже при использовании одноименных анионов (хлорид-анионов). Таким образом, использование изложенного механизма регулирования плотности биокатионного раствора позволяет минимизировать содержание в его составе твердой фазы, что значительно снижает опасность твердофазного повреждения призабойной зоны.

Во-вторых, использование в составе полимерной присадки биокатионного раствора с биополимером ксантанового ряда создает условия для оптимизации технологических свойств в результате межреагентного стабилизационного синергетического эффекта. В молекулах неионогенных полиэфиров, участвующих в образовании внутренних водородных связей, отсутствует электростатический фактор стабилизации ориентированных спиральных структур, что обуславливает равновероятное распространение структурных звеньев полиэфира по всем направлениям. Биополимер, в результате наличия периодически повторяющихся парных ангидроглюкозных триад, несущих анионные группы, имеет вид упругой спирали, каторая теряет эластичность и гидрофильность при поликатионной агрессии. Гидрофильность же полиоксиалкиленовых цепочек полиэфирных реагентов в значительной степени сохраняется из-за их способности аккумулировать поливалентные катионы с отрицательной гидратацией в составе ион-дипольных подандных ассоциатов. Электростатическое взаимодействие поликатионных подандных ассоциатов с анионными макромолекулами биополимеров лежит в основе межполимерного синергетического эффекта, существенно повышающего гидрофильность и водонепроницаемость фильтрационных пленок. Поэтому, биокатионный раствор, по сравнению с хлоркальциевым прототипом, имеет более высокие антифильтрационные свойства (табл.2), которые легко поддерживать и регулировать.

В-третьих, биокатионный раствор образует более гидрофильную фильтрационную корку по сравнению с хлоркальциевым прототипом, что снижает опасность прилипания бурильной колонны и обеспечивает улучшенные смазочные характеристики (табл.2).

Таким образом, предложенный биокатионный буровой раствор, по совокупности технологических характеристик, превосходит хлоркальциевый раствор-прототип.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Рябоконь С.А. и др. Регулирование свойств буровых растворов на основе бромида кальция// Нефтяное хозяйство. - №3, 1982. - С.18-20.

2. Винчестер Д., Гудспет Д., Боатмен Ч., Вест Г. Безаварийное бурение горизонтальных скважин с использованием хлоркальциевого высоковязкого бурового раствора// Нефтегазовые технологии. - №1, 2000. - С.58-61

Таблица 1
ВЛИЯНИЕ ПРИРОДЫ СОЛЕЙ КАТИОННОЙ ГАММЫ НА ПЛОТНОСТЬ БИОКАТИОННОГО РАСТВОРАNaCl,% (мас.)KCl% (мас.)К₂СО₃% (мас.)CaCl₂% (мас.)Са(NO₃)₂% (мас.)Плотность рассола, кг/м³23- --1180-25---1200--56--1430---49-1390----6015506--49-149011--49-1520---2535160010---101260

Таблица 2
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ БИОКАТИОННЫХ БУРОВЫХ РАСТВОРОВСОСТАВ РАСТВОРА,% (мас.)ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫρ, кг/м³Т, сСНС, дПаВ, см³pHη_пл. мПа·сτ_o, дПаK_тр.Катионная гамма - 60% (CaCl₂:NaCl=5:1) Полимерная присадка - 0,1% (биополимер:поливиниловый спирт = 1:5)15205034/481,56,140720,02Катионная гамма - 60% (CaCl₂:NaCl:CaCO₃=10:1:1) Полимерная присадка - 0,15% (биополимер: оксиэтилцеллюлоза = 1:6)15205229/340,46,7351440,015Катионная гамма - 10% (NaCl) Полимерная присадка - 2% (биополимер:гидроксиэтилцеллюлоза = 1:5)10708555/692,57,1252880,08Катионная гамма - 10% (NaCl) Полимерная присадка - 2% (биополимер: полиалкиленгликоль = 1:5)10706545/654,57,5192930,07Прототип Катионная гамма - 60% (CaCl₂:СаСО₃=3:1) Полимерная присадка - 0,15% (биополимер:крахмал = 1:6)15005325/484,06,6421100,07

Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин, а именно к буровым растворам. Техническим результатом изобретения является создание биокатионного бурового раствора без твердой фазы с плотностью 1070-1520 кг/м³, обладающего улучшенными антифильтрационными и смазочными свойствами. Биокатионный буровой раствор на водной основе, содержащий катионную гамму и полимерную присадку, в качестве катионной гаммы содержит хлориды кальция и натрия, а в качестве полимерной присадки - биополимер ксантанового ряда при следующем соотношении компонентов, % мас.: катионная гамма 10-60, полимерная присадка 0,1-2, вода остальное. 2 табл.

Биокатионный буровой раствор на водной основе, содержащий катионную гамму и полимерную присадку, отличающийся тем, что в качестве катионной гаммы содержит хлориды кальция и натрия, а в качестве полимерной присадки содержит биополимер ксантанового ряда при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Катионная гамма 10-60Полимерная присадка 0,1-2Вода Остальное