БИОПОЛИМЕРНЫЙ БУРОВОЙ РАСТВОР Российский патент 2006 года по МПК C09K8/10 

Изобретение относится к полимерным буровым растворам для бурения газовых и нефтяных скважин, в частности к безглинистым биополимерным буровым растворам, которые используются для бурения в сложных горно-геологических условиях, в том числе в хемогенных отложениях и при высоких забойных температурах, а также наклонно-направленных и горизонтальных участков скважин.

Известна промывочная жидкость, которая включает, мас.%: углещелочной реагент (гуматы щелочных металлов), которые выполняют функцию понизителя фильтрации, - 15; биополимер "энпосан" (на сухое вещество) - 0,2-05; вода - остальное (см. пат. Украины №47493, МПК 6 С 09 К 7/00, 7/01, публ. 15.07.2002 г., Бюл. №7). Недостатком промывочной жидкости являются недостаточные структурно-реологические свойства, низкий показатель выносящей способности и отсутствие солестойкости.

Известен биополимерный буровой раствор, предназначенный для бурения наклонно-направленных и горизонтальных стволов скважин (патент России №2236429, МПК 7 С 09 К 7/02, публ 20.09.2004 г., йод №26), который содержит, мас.%: ксантановый биополимер типа Flo-Vis - 0,3-0,5, гуматный реагент (порошковый углещелочной реагент - ПУЩР) - 10,5-15,0, воду - остальное. Недостатком данного раствора является низкая термостойкость (до 80°С) и низкая устойчивость к воздействию ионов поливалентных металлов.

Известен безглинистый буровой раствор для вскрытия продуктивных горизонтов (прототип), который содержит, мас.%: крахмал (полимерный понизитель фильтрации) - 1,0-1,5; биополимер - 0,2-0,3; карбонантный утяжелитель - 5,0-10,0, спирт (полиглиоколь) - 3,0-5,0; гидрофобизирующее поверхностно-активное вещество (ПАВ) ГКД-515 - 1,5-2, смазочную добавку (реагент ДСБ-4ТТ - продукт конденсации моноэтаноламина и сырых таллоных масел в смеси с керосином, моноэтаноламином и флотореагентом - оксалем) - 0,5-1,0 и воду остальное (см. патент России №2179568, МПК 7 С 09 К 7/02, публ 20.01.2002 г., Бюл. №6).

В безглинистом буровом растворе для вскрытия продуктивных горизонтов крахмал и карбонатный утяжелитель выполняют функцию понизителя фильтрации, но наличие в растворе карбонатного утяжелителя усложняет регулирование плотности бурового раствора в сторону уменьшения. Биополимерный реагент выполняет функцию структурообразователя, но его термостабильность ограничивается применением при забойных температурах до 120°С. Для обеспечения ингибирующих, смазывающих, фильтрационных и противоприхватных свойств в предложенном буровом растворе используются несколько различных компонентов при высоких концентрациях, а именно: гидрофобизирующее ПАВ - ПКД-515 обеспечивает увеличение проницаемости коллектора; добавка ДСБ-4ТТ - продукт конденсации моноэтаноламина и сырых талловых масел в смеси с керосином, моноэтаноламином и флотореагентом - оксанам используется для снижения противоприхватных свойств и улучшения смазочных свойств; спирты (полигликоли) используют в качестве ингибитора глин и бактерицида, но при этом они являются высокотоксичными веществами.

Кроме того, недостатком данного раствора являются недостаточные структурно-реологические свойства, а именно предложенное количество биополимера и крахмала не обеспечивают высокие показатели вязкости, динамического напряжения сдвига и пластической вязкости, что ограничивает его применение при бурение горизонтальных скважин, недостаточная термостойкость ограничивает его применение при бурении в сложных горно-геологических условиях (при высоких забойных температурах и хемогенных отложениях).

Техническим результатом изобретения является уменьшение количества и концентрации компонентов для приготовления бурового раствора при сохранении ингибирующих, смазочных, фильтрационных и противоприхватных свойств, а также повышение структурно-реологических свойств и термостойкости, обеспечение солестойкости, снижение вредного влияния на окружающую среду.

Для достижения технического результата используют биополимерный буровой раствор, содержащий полимерный понизитесь фильтрации, биополимер ксантанового типа, поверхностно-активное вещество, смазочную добавку и воду, отличающийся тем, что он содержит в качестве поверхностно-активного вещества и смазочной добавки этилендиамиды жирных кислот - продукт конденсации этилендиамина и фосфатидного концентрата, в качестве полимерного понизителя фильтрации - полианионную целлюлозу или карбоксиметилцеллюлозу, или карбоксиметилоксиэтилцеллюлозу, или оксиэтилцеллюлозу, или гидролизованный полиакрилонитрил и дополнительно - гуматы щелочных металлов - углещелочной реагент УЩР или гуматно-калиевый реагент ГКР и соли щелочных и/или щелочноземельных металлов - KCl, NaCl, CaCl₂, MgCl₂, бишофит при следующем соотношении компонентов, мас.%:

указанный понизитель фильтрации0,1-1,0биополимер ксантанового типа0,2-0,5указанные этилендиамиды жирных кислот0,05-3,0УЩР или ГКР3,0-6,0указанные соли3,0-40,0водаостальное

Исследованиями установлено, что в водном растворе биополимер и гуматы щелочных металлов образуют неразделимые пространственные комплексы, которые обеспечивают активное функционирование каждого компонента в агрессивной среде (высокие концентрации солей, высокие температуры), где ни гуматы, ни биополимер самостоятельно не способны существовать. При совместном растворении происходит взаимодействие разветвленных цепочек молекул биополимера с полианионами гуматов щелочных металлов за счет образования большого количества водородных связей. Такое взаимодействие макромолекул обеспечивает необратимое пространственное трехмерное расположение молекул в водной среде и активное связывание воды даже при агрессивном действии высоких концентраций солей и высоких температур, что и обеспечивает высокие структурно-реологические свойства и снижение показателя фильтрации при низких концентрациях полимеров.

Для снижения показателя фильтрации синергетическая смесь нуждается в дополнительном применении полимерных понизителей фильтрации (крахмал, полианионная целлюлоза (ПДЦ), карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ), карбоксиметилоксиэтилцеллюлоза (КМСОЦ), оксиэтилцеллюлоза (ОЭЦ), гидролизованный полиакрилонитрил (гипан)).

Использование этилендиамидов жирных кислот позволяет уменьшить количество и концентрацию компонентов в составе бурового раствора за счет того, что этилендиамиды одновременно выполняют несколько функций.

В предложенном техническом решении этилендиамиды жирных кислот выполняют функцию ПАВ, что обеспечивает высокие ингибирующие свойства благодаря гидрофобизации поверхности частичек, снижение степени их гидратации и диспергирования, и функцию смазочной и противоприхватной добавки благодаря способности к адсорбции и образованию плотного мономолекулярного слоя, что позволяет эффективно использовать его при низких концентрациях.

Исследованиями установлено, что этилендиамиды на основе природных неразветвленных с четным числом углеродных атомов жирных кислот, кроме вышеприведенных свойств, выполняют антиферментативную функцию, являются биоразлагаемыми, нетоксичными и не вредными для окружающей среды и таким образом предотвращают ферментативную деструкцию полимерных (полисахаридных) реагентов.

Для повышения ингибирующих свойств и обеспечения возможности применения во время бурения в сложных горно-геологических условиях (в том числе в хемогенных отложениях и при высоких температурах) в биополимерный буровой раствор добавляют соли щелочных и/или щелочноземельных металлов (KCl, NaCl, CaCl₂, MgCl₂, бишофит).

Биополимерную основу бурового раствора составляют биополимеры ксантанового типа марки Duovis, Flo-vis, RadopoL, Zibosan и другие. Они представляют собой водорастворимые порошковые полисахариды, полученные обработкой бактериями типа "ксантамонас".

В качестве полимерного понизителя фильтрации используют крахмал пищевой согласно ТУ-2483-002-41668452-97 или другие модификации крахмала, или полианионную целлюлозу (Polypac L или R), или карбоксиметилцеллюлозу (Камцел, Tylose, Finnfix и др.), или карбоксиметилоксиэтилцеллюлозу (CHR-1, CHR-6 и др.), или оксиетилцеллюлозу, или гидролизованный полиакрилонитрил (гипан согласно ТУ У 31062554.02-2001) и их различные модификации и торговые марки.

Этилендиамиды жирных кислот изготавливают согласно ТУ У 24.6-32028975-005-2004.

В качестве гуматов щелочных металлов используют углещелочной реагент согласно ТУ У 36-01-247-76 или гуматно-калиевый реагент согласно ТУ У 26.8-23690792-002-2001.

Соли щелочных и/или щелочноземельных металлов (KCl, NaCl, CaCl₂, MgCl₂, бишофит) получают: KCl согласно ГОСТ 4568-95, NaCl согласно ГОСТ 13830-68, CaCl₂ согласно ГОСТ 450-77, MgCl₂ или бишофит согласно ГОСТ 7759-73.

Пример приготовления биополимерного бурового раствора в лабораторных условиях.

В 900 мл воды при перемешивании растворяют 5 г биополимера ксантанового типа в течение 15 минут, далее добавляют 50 г УЩР или ГКР и 2 г крахмала или ПДЦ, или КМЦ, или ММОЭЦ, или ОЭЦ или гидролизованый полиакрилонитрил, затем этилендиамиды жирных кислот (ЭДЖК) - 30 г и перемешивают в течение 15-30 минут, затем добавляют 70 г KCl или NaCl, или CaCl₂, или MgCl₂ или бишофита. После растворения солей биополимерный буровой раствор готов для использования.

В таблице 1 приведены примеры приготовления биополимерного бурового раствора при различных концентрациях компонентов.

В таблице 2 приведены данные о смазочных, ингибирующих, противоприхватных свойствах биополимерного бурового раствора при различных концентрациях компонентов.

Снижение концентрации биополимера до 0,2% и УЩР или ГКР до 3,0% отрицательно сказывается на структурно-реологических свойствах (см. позиции 2 и 3 в таблице 1), при этом уменьшается стойкость раствора к солям щелочных и щелочноземельных металлов и действию высоких температур. Увеличение концентрации биополимера свыше 0,5%, а УЩР или ГКР свыше 6,0% нецелесообразно, так как увеличивается расход химреагентов, а структурно-реологические и фильтрационные свойства существенно не улучшаются (см. поз.7-10 в таблице 1).

Использование полимерных понизителей фильтрации в приведенных концентрациях обеспечивает низкий показатель фильтрации биополимерного бурового раствора даже при агрессии солей поливалентных металлов. Повышение их концентрации свыше 1,0% является экономически и технологически нецелесообразным (см. поз. 10 в таблице 1).

Добавление этилендиамидов жирных кислот меньше 0,05% является неэффективным, так как получаем снижение смазочных, ингибирующих, противоприхватных и антиферментных свойств, а увеличение концентрации этилендиамидов жирных кислот более 3,0% нецелесообразно в связи с тем, что дальнейшего улучшения этих свойств практически не происходит (см. таблицу 2).

Исследованиями установлено, что этилендиамиды жирных кислот являются нетоксичными и относятся к реагентам четвертого класса опасности.

Ингибирующие свойства солей, как известно, заметно проявляются, начиная с концентрации 3,0%, чем обусловлен нижний порог концентрации солей. Благодаря высокой солестойкости предлагаемой рецептуры бурового раствора верхний порог концентрации солей ограничен только пределом их растворимости в воде, что дает возможность использовать такой раствор при бурении в хемогенных отложениях.

Статическая фильтрация определялась на приборе фильтр-пресс Фанн по стандарту Американского нефтяного института (АНИ).

Показатель фильтрации при температуре 140°С и перепаде давления 7 МПа определялся на приборе ВГВД (фирмы ОПТЕ) - высокая температура, высокое давление (по стандарту АНИ), что отражает условия на забое скважины глубиной около 5000 м.

В рамках заявленных соотношений концентраций компонентов все составы биополимерного бурового раствора достаточно термостойки, что видно по незначительному увеличению показателя фильтрации, который определяли после прогрева при температуре 150°С на протяжении 4 часов (см. поз.1-10 в таблице 1).

Смазочные и противоприхватные свойства определяли на приборе "Lubricity Tester" американской фирмы "Farm Instrument Co" и с помощью прибора КТК.

Ингибирующие свойства были проверены методом обкатки кернового материала в автоклавах в роликовой печи при температуре 100°С в течение четырех часов. В качестве кернового материала использовали аргиллит. После обкатки в дистиллированной воде остаток на сите составил 80,8% кернового материала, а после обкатки в биополимерном буровом растворе 95,7-97,5% (см. поз.1-10 табл.2), что свидетельствует об улучшении ингибирующих свойств предложенного раствора.

Антиферментативное действие этилендиамидов жирных кислот определяли по количеству анаэробных бактерий в 0,5% растворе биополимерного реагента при помощи индикаторов Sanivcheck AB фирмы "Biosan Laboratories. INC". Пробы, отобранные в пластиковые пакеты, оставляли для инкубации на 36 часов при температуре 36°С, количество бактерий в растворе 100 на 1 мл, при концентрации 0,5-1%.

Результатом использования предложенного биополимерного бурового раствора является получение высоких структурно-реологических свойств, повышение ингибирующих, смазочных, фильтрационных и противоприхватных свойств, уменьшение количества и концентрации компонентов, повышение их стойкости к действию высоких температур и высоких концентрации солей щелочных и щелочноземельных металлов, повышение антиферментативных свойств.

Внедрение предложенного биополимерного бурового раствора позволит уменьшить затраты на химическую обработку буровых растворов в сложных горно-геологических условиях (в том числе в хемогенных отложениях и при повышенных температурах), а также при бурении наклонно-направляющих и горизонтальных участков скважин, уменьшить вредное влияние на окружающую среду, улучшить технико-экономические показатели бурения.

Таблица 1Примеры приготовления биополимерного бурового раствора при разных концентрациях компонентов№Состав биополимерного бурового раствора, мас.%Параметры биополимерного бурового раствораПри t=20°CПосле прогрева 4 ч t=150°CБПУЩР или ГКРПАЦКМЦКМОЭЦОЭЦВодаNaCl, KClCaCl₂, MgCl₂, бишофитГипан (на сух. вещество)КрахмалЭДЖКФ, см³/ 30 мСНС 10/10, дПаη, мПа^*сτ, ДПаТ, сТ, сФ, см³/30 мСНС 10/10, дПаη, мПа^*сτ, дПа10,130,1   80,7579  0,054,812/17182530286,88/10131520,23 0,1  74,61012  0,14,816/17222735336,512/14182130,23    80,6 150,4 15,817/21202237347,513/15131740,35  0,2 867   1,54,529/37273942395,045/62354850,35   0,2903   1,54,731/49253445425,635/52293760,450,2   66,426   27,057/63699560556,551/58608770,560,3   51,2 40  26,772/821201678572870/8511014080,56   0,370,8 20  2,56,575/852515882737,867/812015490,560,2   64,326   36,271/80211497168562/7718140100,56    6526   1,5455/73237845404,249/71207111            514/1812186530150/558^* прототипИспользуют гуматы: УЩР - в растворах №1-5, ГКР - в растворах №6-10.Используют соли: NaCl+CaCl₂ - в растворе №1, KCl+MgCl₂ - в растворе №2, 3, бишофит - в растворе №3, NaCl - в растворах №4-6, KCl - в растворах №9, 10, CaCl₂ - в растворе №7, MgCl₂ - в растворе №8.

Таблица 2Данные о смазочных, ингибирующих и противоприхватных свойствах биополимерного бурового раствора при разных концентрациях компонентов№ раствора из таблицы 1Измеряемые свойстваСмазочные (КТК)Противоприхватные, АмперИнгибирующие, %10,174,595,720,154,095,930,153,796,240,133,696,850,133,396,360,123,296,570,123,296,980,112,697,390,102,297,5100,133,397,0

Изобретение относится к полимерным буровым растворам для бурения газовых и нефтяных скважин, в частности к безглинистым биополимерным буровым растворам, которые используются для бурения в сложных горно-геологических условиях, в том числе в хемогенных отложениях и при высоких забойных температурах, а также наклонно-направленных и горизонтальных участков скважин. Технический результат изобретения - уменьшение количества и концентрации компонентов для приготовления бурового раствора при сохранении ингибирующих, смазочных, фильтрационных и противоприхватных свойств, а также повышение структурно-реологических свойств и термостойкости, обеспечение солестойкости, снижение вредного влияния на окружающую среду. Биополимерный буровой раствор содержит, мас.%: полимерный понизитель фильтрации - полианионную целлюлозу или карбоксиметилцеллюлозу, или карбоксиметилоксиэтилцеллюлозу, или оксиэтилцеллюлозу, или гидролизованный полиакрилонитрил 0,1-1,0, биополимер ксантанового типа 0,2-0,5, этилендиамиды жирных кислот - продукт конденсации этилендиамина и фосфатидного концентрата 0,05-3,0, гуматы щелочных металлов - углещелочной реагент УЩР или гуматно-калиевый реагент ГКР 3,0-6,0, соли щелочных и/или щелочноземельных металлов - KCl, NaCl, CaCl₂, MgCl₂, бишофит 3,0-40,0, вода остальное. 2 табл.

Биополимерный буровой раствор, содержащий полимерный понизитель фильтрации, биополимер ксантанового типа, поверхностно-активное вещество, смазочную добавку и воду, отличающийся тем, что он содержит в качестве поверхностно-активного вещества и смазочной добавки этилендиамиды жирных кислот - продукт конденсации этилендиамина и фосфатидного концентрата, в качестве полимерного понизителя фильтрации - полианионную целлюлозу, или карбоксиметилцеллюлозу, или карбоксиметилокси-этилцеллюлозу, или оксиэтилцеллюлозу, или гидролизованный полиакрилонитрил и дополнительно - гуматы щелочных металлов - углещелочной реагент УЩР или гуматно-калиевый реагент ГКР и соли щелочных и/или щелочноземельных металлов - KCl, NaCl, CaCl₂, MgCl₂, бишофит при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Указанный понизитель фильтрации0,1-1,0Биополимер ксантанового типа0,2-0,5Указанные этилендиамиды жирных кислот0,05-3,0УЩР или ГКР3,0-6,0Указанные соли3,0-40,0ВодаОстальное