Изобретение относится к бурению нефтяных и газовых скважин, а именно к буровым растворам пониженной плотности на водной основе, предназначенным для бурения и заканчивания скважин в условиях аномально низких пластовых давлений.
Основным типом бурового раствора, применяемым в мировой практике для заканчивания скважин, в том числе с горизонтальным участком ствола, являются традиционные глинистые растворы, модифицированные в зависимости от условий бурения добавками полимеров, минеральных солей, ПАВ и др. [1, 2]. Эти компоненты играют роль своеобразных «герметизаторов», образуя фильтрационную корку в виде полупроницаемого пристеночного барьера, препятствующего перетоку флюидов, который возникает за счет разности давления гидростатического столба жидкости (бурового раствора), находящегося в буровой колонне, и давления самого продуктивного горизонта. Степень проницаемости корки зависит от размеров и формы частиц порошкообразных добавок, а также от общей вязкости фильтрата, для увеличения которой обычно применяют водорастворимые полимеры. Хотя фильтрационная корка и образует полупроницаемый барьер, часть суспензионного раствора, тем не менее, может проникать в зону пласта, вызывая кольматацию коллектора мелкими частицами с последующим снижением продуктивности скважины. Существенным недостатком суспензионных буровых растворов является и то, что в процессе бурения увеличивается толщина фильтрационной корки на стенках ствола, что приводит к заклиниванию и прихватам бурового инструмента.
Для устранения вышеописанных негативных явлений разработаны промывочные жидкости, обладающие аномально высокой вязкостью при низких скоростях сдвига и обладающие высокой псевдопластичностью. Обычно они представляют собой коллоидные растворы биополимеров, в частности микробных полисахаридов, в концентрации от 0,5 до 2% [3]. Отличительной особенностью псевдопластичных растворов является то, что они обладают исключительно высоким напряжением сдвига в состоянии покоя, которое может уменьшаться в десятки раз при активном перемешивании. Суспензии твердых частиц, приготовленные на основе коллоидных биополимеров, чрезвычайно стабильны, так как полимер препятствует образованию осадка при остановке бурового инструмента, а также в горизонтальных или наклонных участках скважин. Другой отличительной особенностью буровых растворов с псевдопластичными свойствами является и то, что они обладают низкими проникающими свойствами при фильтрации в зону коллектора.
Поскольку буровой раствор имеет очень низкую скорость движения по поровым каналам коллектора, его вязкость возрастает в десятки раз, что, в конечном счете, полностью блокирует его проникновение в проницаемую среду.
Серьезной проблемой в процессе разработки нефтяных и газовых месторождений является также поглощение бурового раствора, приводящее иногда к полной потере циркуляции и потерям дорогостоящих материалов, времени и финансовым затратам.
Существуют методы борьбы с поглощением бурового раствора, основанные на снижении его плотности, которое достигается путем специальной аэрации технологических жидкостей. Пузырьки газа, например воздуха, азота, аргона, углекислого газа, инкорпорированные в буровом растворе, снижают его плотность, в результате чего снижается гидростатическое давление столба жидкости в скважине. Как следствие, уменьшается разность пластового и гидростатического давления, возникают приток пластовых флюидов из верхних пластов в скважину и межпластовые перетоки.
Например, описан метод снижения плотности бурового раствора [4], эффект в котором достигается путем непосредственного введения (впрыскивания) воздуха или другого газа в буровой раствор после того, как он проходит нагнетательные насосы, подающие жидкость в скважину. Количество вводимого в жидкость газа подбирается таким образом, чтобы достичь расчетного снижения плотности жидкости и добиться требуемого уменьшения гидростатического давления в зоне бурения. В состав описанного в патенте бурового раствора могут входить гидроксиалкилированная целлюлоза, оксид магния, лигносульфонат кальция, карбонат кальция и другие реагенты. Поверхностно-активные компоненты в состав таких жидкостей специально не добавляют. Основным недостатком описанного метода является необходимость применения специализированного оборудования, такого как компрессоры, и устройства, обеспечивающего дозированное введение воздуха в поток жидкости. Буровые растворы, содержащие газовую фазу в описанных составах, нестабильны и не могут быть использованы в режиме циркуляции, так как после выхода на поверхность происходит их естественная дегазация. При непредвиденной остановке бурового инструмента происходит расслаивание аэрированной жидкости внутри скважины, что может также привести к аварийным ситуациям.
Для повышения стабильности бурового раствора, содержащего пузырьковую газовую фазу, разработаны составы буровых растворов, включающие поверхностно-активные компоненты. В частности, описана рецептура раствора [5], приготовленного на основе гуаровой камеди или ее гидроксипропилированных производных, включающего анионогенный поверхностно-активный компонент лаурил сульфат натрия или его этерифицированные аналоги. При этом дисперсия газа достигается путем инжекции воздуха, азота или углекислого газа, а также механического диспергирования, выполняемого с использованием специализированного оборудования.
Общим недостатком данного изобретения является то, что буровой раствор, полученный путем введения в него лаурил сульфата натрия, представляет собой крупнодисперсную пену, включающую газовые пузырьки большого размера (от нескольких миллиметров до сантиметров), что приводит к ее нестабильности. В описании, в частности, указывается, что время 50%-ного расслоения указанного раствора на газовую и жидкую фазы составляет величину порядка 17 минут. При циркуляции бурового раствора, в момент пропускания его через сита с целью отделения разбуренной породы от жидкости, происходит не только сепарация механической фазы, но и потеря газовых образований - крупных пузырьков. Кроме того, из-за большого размера газовых пузырьков, находящихся в пенных составах, последние не могут участвовать в формировании непроницаемого барьера на пористой поверхности призабойной зоны продуктивного горизонта или поглощающего пласта, как это происходит при введении в раствор порошкообразных добавок, и таким образом, они не могут предотвратить необратимые потери раствора, особенно при наличии высокой степени трещиноватости коллекторов.
Для предотвращения указанных недостатков разработаны буровые растворы и жидкости для заканчивания скважин, не содержащие твердофазные механические понизители фильтрации, а включающие афроны - микроскопические пузырьки газа диаметром 20-100 мкм, защищенные сложной двухслойной оболочкой, состоящей из загущенной воды и ПАВ [6]. Впервые их описание, как и сам термин «афроны», даны Ф.Себбой [7].
Таким образом, главным отличием афронов от обычных пен является то, что они окружены двухслойными оболочками с промежуточным слоем воды, в то время как оболочка пузырька воздуха в обычной пене состоит из одного мономолекулярного слоя ПАВ. Вследствие малого размера и специфического строения афроны обладают (по сравнению с пузырьками пен) высокой механической прочностью и стабильностью.
В американском патенте [6], который следует рассматривать как прототип предлагаемого изобретения, описывается состав бурового раствора, состоящего из полимерных добавок и специально подобранных поверхностно-активных компонентов, представляющих собой группу эмпирически подобранных синтетических ПАВ. В качестве активного начала предлагается использовать, в частности, диоктилсульфосукцинат натрия, фирменный ПАВ «Chubb National Foam-High Expansion», реагент «Blue-Streak», выпускаемый фирмой М-1 Drilling Fluids, и некоторые другие дорогостоящие и малодоступные компоненты. Описанные синтетические ПАВ позволяют получить стабильные микропузырьковые газовые включения, снижающие общую плотность растворов. Преимуществом последних, по сравнению с обычными пенами, является то, что афроны легко проходят даже через мелкие ячейки вибросит, а под воздействием центробежных сил в гидроциклонах и центрифуге всплывают и отделяются вместе с чистым раствором. Благодаря своему малому размеру и высокой прочности афроны по сравнению с пенами не оказывают влияния на работу буровых и центробежных насосов, а также полностью совместимы с телеметрическими системами, использующими гидравлический канал передачи данных. Благодаря упругости, гидрофобному характеру наружной поверхности микропузырьков и их конгломератов (от десятков микрон до нескольких миллиметров) афроны обладают способностью кольматировать широкий диапазон проницаемых сред - от низкопроницаемых песчаников до трещиноватых известняков с проницаемостью в десятки Дарси, образуя на их поверхности подобие корки, а в проницаемой среде закольматированный экран, формирующийся при использовании твердофазных добавок, понижающих фильтрацию.
Главным преимуществом афронов перед другими кольматирующими агентами является то, что они не образуют необратимых корок и блокирующего экрана на поверхности и в самом коллекторе и легко диссоциируют в раствор при снятии напряжений.
Афроны, в отличие от пен, генерируются в буровом растворе под воздействием высоких механических напряжений и кавитации (например, в центробежных насосах, гидромониторных насадках долот, гидросмесителях, гидроциклонах и т.п.). При этом, в отличие от обычных аэрированных растворов, не требуется использование компрессоров высокого давления или другого дорогостоящего оборудования.
Основным недостатком известных составов, способствующих формированию афронов в буровых растворах, является их высокая стоимость и малодоступность. Кроме того, используемые в них поверхностно-активные компоненты являются биологически стойкими и экологически небезопасными соединениями, требующими специальных мер по утилизации отработанных растворов и предотвращению их экотоксического воздействия на природную среду.
Целью предлагаемого изобретения является создание эффективного, доступного, экономически рентабельного и экологически безопасного компонентного состава, который можно использовать для приготовления бурового раствора пониженной плотности, содержащего микропузырьковые газоколлоидные включения (афроны), и обеспечивающего безаварийную проводку и заканчивание скважин, в частности, при вскрытии истощенных горизонтов, характеризующихся аномально низким пластовым давлением.
Поставленная цель достигается использованием для бурения и заканчивания скважин на депрессии бурового раствора пониженной плотности, содержащего: афронгенерирующий компонент, стабилизирующие и регулирующие добавки в виде микробного ксантанового биополимера, модифицированого крахмала, лигносульфонатного реагента, оксида магния и кальция, карбоната натрия, хлорида калия и консерванта (биоцида), отличающегося тем, что в качестве афронгенерирующего компонента он содержит протеиновый гидролизат при следующем соотношении компонентов, мас.%:
В качестве основного ингредиента, обеспечивающего образование афронов в буровом растворе, используется группа веществ, полученных путем гидролиза отходов животного и растительного белка (далее протеиновый гидролизат), вносимых в состав бурового раствора в концентрациях до 1% (по сухим веществам). Новым признаком является то, что ни природные белковые соединения, ни синтетические смеси олигопептидов ранее никогда не использовались как композиционные составляющие буровых растворов. В отличие от известных решений, добавление гидролизованных препаратов белка в буровые растворы способствует образованию мелкоячеистых и весьма стойких пен, а также собственно афронов, сохраняющихся даже при наличии значительных градиентов плотности и механических деформирующих нагрузок.
В качестве структурообразователей буровых растворов, содержащих протеиновые гидролизаты, используют биополимеры, в частности микробную ксантановую камедь или ее смесь с камедью гуара, вносимые в общеприменимых концентрациях от 0,5 до 2%, лигносульфонатные стабилизаторы, например, КССБ, ОКЗИЛ или другие, вносимые в концентрациях до 1,5%, добавки оксида кальция и магния в концентрациях до 0,5%, обеспечивающие устойчивость реологических характеристик биополимерных растворов, буферные компоненты, обеспечивающие стабильность рН раствора, например, карбонат натрия в концентрациях до 1%.
Для регулирования осмотического давления используют водорастворимые соли, например, CaCl2, MgCl2, KCl (NaCl) и др.
Согласно современным представлениям молекулы белка (как и олигопептидов) в адсорбционном слое развертываются отдельными участками, в зависимости от вида белковой молекулы, концентрации белка, рН среды и других факторов. Считается наиболее вероятным, что белковая молекула находится в некотором промежуточном положении, не являясь ни полностью развернутой (в виде полипептидной цепи), ни полностью свернутой (в виде глобулы). Поскольку при адсорбции на поверхности раздела фаз жидкость - газ возможно образование нескольких слоев, адсорбционные пленки могут удерживать и неразвернутые нативные (естественные) молекулы белков или их фрагменты [8]. Именно такие процессы постулируются при образовании афроновых газовых микропузырьков, окруженных множественными оболочками, в частности, включающими молекулы белков и олигопептидов.
Белковые пенообразователи дешевы, доступны, являются экологически чистыми продуктами, не вызывают раздражения кожи человека и могут храниться без потери первоначальных свойств длительное время. Использование пенообразователей на основе белковых гидролизатов, полученных из различного сырья, известно, в частности, при изготовлении пенобетонов [9]. Вместе с тем, в специальной литературе сведения, касающиеся образования афронов в полисахаридных буровых растворах, содержащих гидролизаты протеинов и подвергнутых механическому диспергированию, отсутствуют. Поэтому заявляемое решение, по мнению авторов, соответствует критерию «существенные отличия».
Возможности предлагаемого изобретения могут быть проиллюстрированы примерами, приведенными ниже. При постановке опытов были использованы щелочные и ферментативные гидролизаты доступных отходов технического белка, полученные известными методами, а также известные белковые композиции пенообразователей, содержащие гидролизаты протеинов промышленного производства (Неопор).
Пример 1.
Иллюстрирует образование афронов в модельных буровых растворах, содержащих щелочные гидролизаты казеина, кератина, животного альбумина (отходы переработки животноводства), а также микробного и растительного белка.
Сравнительную оценку контрольных и опытных образцов осуществляли в лабораторных условиях, сравнивая плотности растворов до и после интенсивного механического воздействия, приводящего к проникновению газовой фазы в жидкость.
В базовый раствор, содержащий микробный ксантановый биополимер марки «Родопол» 10,0 г, модифицированный крахмал Фито-РК (ТУ-2483-002-4166845222-97) - 20,0, лигносульфонатный реагент КССБ-2М (ТУ 2454-325-05133190-2000) - 12,0 г, карбонат натрия - 3,0 г (ТУ 2131-002-44267537-2001), хлорид калия - 20,0 г (ГОСТ 4568-83), оксид кальция - 1,0 г (ТУ 6-18-16-005-91), оксид магния - 1,0 г (ТУ 6-09-3489-75), консервант (биоцид) ЛПЭ-32 (ТУ 2458-039-00209295-02) - 1,2 мл и водопроводную воду - до 1000 мл, вводили различные количества тестируемых протеиновых гидролизатов, представляющих собой нейтрализованные водные растворы и содержащих от 6 до 15% сухих веществ. В качестве контрольных образцов использовали растворы того же состава, но не подвергавшиеся механической обработке. Были испытаны различные варианты композиций буровых растворов с добавкой афронгенерирующих гидролизатов выбранных образцов протеина. Состав испытанных образцов растворов указан в таблице 1. Следует отметить, что введение биоцида в базовый раствор не является строго обязательным, а возможным в качестве превентивной меры для предотвращения биодеструкции полисахаридных реагентов.
Для генерации афронов фиксированные объемы исследуемых растворов (150 мл) помещали в закрытый металлический стакан блендера MPW-302 и подвергали трехкратному механическому перемешиванию. Время одной обработки составляло 3 минуты, скорость вращения блендера 18000 мин-1, перерыв между операциями 15-20 минут. Диспергирование газа (воздуха) происходило за счет захвата крупных пузырьков воздуха с поверхности жидкости под воздействием ножа высокоскоростного блендера. Полученную микропузырьковую дисперсию газа (воздуха) в смеси других реагентов переносили в стеклянные бюксы, снабженные притертыми крышками, и оставляли в воздушном термостате ТС-80 при 43°С на длительное время. В процессе инкубации происходило расслаивание крупных пузырьков газа, образующихся в тестируемых растворах после интенсивной механической обработки вследствие захвата и диспергирования воздуха. Микропузырьки афронов вследствие микроскопических размеров оставались в растворе и тем самым влияли на его плотность, снижая ее. Для предотвращения испарения воды с поверхностного слоя водного раствора сверху наслаивали жидкий гексадекан (5-10 мм). Через фиксированные промежутки времени, определенные условиями опыта, аликвоты водного раствора извлекали из-под слоя гексадекана с помощью пипетки, дозировали в градуированные пикнометры, термостатировали при 25°С и измеряли плотность модельных проб жидкостей весовым методом. Результаты замеров плотностей опытных и контрольных образцов, полученные в течение 10-суточного опыта (таблица 1), свидетельствовали о наличии стабильной разницы удельного веса в образцах буровых растворов, включающих в своем составе препараты гидролизатов технического белка, и контрольных образцах (без механической обработки). Динамика изменения плотности раствора, не содержащего протеиновых добавок (образец №1), также дана в таблице 1.
Изменение показателей плотности модельных буровых растворов (г/см3), содержащих афронгенерирующий компонент в виде белковых гидролизатов различной природы, после механической обработки в высокоскоростном блендере
Достигнутый эффект снижения плотности растворов, моделирующих промывочные жидкости, объясняется присутствием в пробах жидкости микропузырьковой фазы афронов, проявляющих значительно более высокую стабильность во времени по сравнению с обычными крупноячеистыми пенами.
Пример 2.
Иллюстрирует образование афронов в модельных буровых растворах, имеющих вариации состава по отдельным компонентам и содержащих протеиновый гидролизат, приготовленный методом щелочного гидролиза отходов животного альбумина. Составы испытанных композиций приведены в таблице 2.
Концентрация составных ингредиентов в различных вариантах буровых растворов с афронгенерирующим компонентом, приготовленным из гидролизата альбумина животного происхождения
Методически опыт выполнен согласно описанию, данному в примере 1. Результаты измерения плотности растворов, сделанные непосредственно после диспергирования в блендере, а также через 5 и 10 суток экспозиции при 43°С, представлены в таблице 3.
Показатели плотности буровых растворов различных вариантов, содержащих афроны и приготовленных с использованием белкового гидролизата (животного альбумина).
Пример 3.
Иллюстрирует образование афронов в модельных буровых растворах, содержащих промышленный протеиновый пенообразователь «Неопор», который используется в производстве пенобетона.
В образцы базового раствора, состав которого указан в примере 1, вводили аликвоты фирменного препарата «Неопор», изготавливаемого на основе гидролизатов животного белка. Препарат добавляли в разных количествах по отношению к базовому раствору. Результаты замеров плотностей опытного и контрольных образцов, свидетельствующие о присутствии стабильных газовых включений в испытываемых буровых растворах с добавками препарата «Неопор», представлены в таблице 4.
Показатели плотности (г/см3) модельного бурового раствора*, содержащего различные количества препаратов «Неопор»
Технико-экономические преимущества предлагаемого бурового раствора по сравнению с прототипом: 1) более высокая стабильность газоколлоидной фазы за счет специфической конфигурации и поверхностно-активных свойств белковых молекул, участвующих в формировании многослойной оболочки афронов, что обеспечивает их сохранность даже при наличии значительных градиентов плотности и механических деформирующих нагрузок;
2) белковые пенообразователи в отличие от химических ПАВ являются экологически безопасными продуктами, не вызывают раздражения кожи человека, имеют дешевую и доступную сырьевую базу (отходы производства животноводства и растениеводства), могут храниться длительное время без потери первоначальных свойств.
Источники информации
1. Булатов А.И., Пеньков А.И., Проселков Ю.М. Справочник по промывке скважин. - М.: Недра, 1984. - 317 с.
2. Бадовский Н.А. Рост бурения горизонтальных скважин за рубежом и его экономическая эффективность // Нефтяное хозяйство. - 1992. - №3. - С.43.
3. Андресон Б.А., Н.З.Гибадуллин, Р.М.Гилязов, О.Ф.Кондрашев. - Уфа: Монография, 2004. - 247 с.
4. Патент США United States Patent №4,155,410.
5. Патент США United States Patent №6,800,592.
6. Патент США United States Patent №5,881,826.
7. Felix Sebba, "Foams and Biliquid Foams-Aphrons", Virginia Polytechnic Institute and State University, pp 62-69, 1987.
8. Адамсон А. Физическая химия поверхностей. Пер. с англ. / Под ред. З.М.Зорина и В.М.Муллера. - М.: Мир, 1979. - 568 с.
9. Патент России №2188808.
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЖИДКОСТЬ ДЛЯ ГЛУШЕНИЯ НЕФТЕГАЗОВЫХ СКВАЖИН И СПОСОБ ЕЕ ПРИГОТОВЛЕНИЯ | 2007 |
|
RU2322472C1 |
СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ НЕФТЕОТДАЧИ ПЛАСТОВ | 2000 |
|
RU2168616C1 |
СОСТАВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ НЕФТЕОТДАЧИ ПЛАСТА | 2001 |
|
RU2180396C1 |
СПОСОБ БУРЕНИЯ СКВАЖИН, ОСЛОЖНЕННЫХ ПОГЛОЩАЮЩИМИ ГОРИЗОНТАМИ | 2014 |
|
RU2563856C2 |
АФРОНСОДЕРЖАЩАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЖИДКОСТЬ | 2021 |
|
RU2776817C1 |
СОСТАВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ НЕФТЕОТДАЧИ ПЛАСТА | 2003 |
|
RU2242598C1 |
ПЕНООБРАЗУЮЩИЙ СОСТАВ ДЛЯ ГЛУШЕНИЯ СКВАЖИН | 2004 |
|
RU2266394C1 |
ГЕЛЕОБРАЗУЮЩИЙ СОСТАВ ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОНИЦАЕМОСТИ ПЛАСТОВ | 2001 |
|
RU2181427C1 |
БЕЗГЛИНИСТЫЙ БУРОВОЙ РАСТВОР | 2007 |
|
RU2348670C1 |
Сухая смесь для приготовления жидкости глушения | 2020 |
|
RU2753299C1 |
Изобретение относится к бурению нефтяных и газовых скважин, в частности к буровым растворам пониженной плотности на водной основе, предназначенным для бурения и заканчивания скважин. Техническим результатом является создание эффективного, доступного, экономически рентабельного и экологически безопасного компонентного состава, включающего добавку протеинового гидролизата, и используемого для приготовления бурового раствора, содержащего высокостабильные микропузырьковые газоколлоидные включения - афроны, обеспечивающего безаварийную проводку и заканчивание скважин без потерь и поглощений раствора при одновременном сохранении коллекторских свойств разбуриваемых продуктивных горизонтов. Буровой раствор пониженной плотности содержит, мас.%: микробный ксантановый биополимер 0,5-2,0, модифицированный крахмал 0,2-2,5, лигносульфонатный реагент 0,2-1,5, карбонат натрия 0-0,4, оксид кальция 0-0,2, оксид магния 0-0,2, хлорид калия 0-5,0, протеиновый гидролизат (в пересчете на сухое вещество) 0,1-1,0, биоцид 0-1,0, вода - остальное. 4 табл.
Буровой раствор пониженной плотности, включающий афронгенерирующий компонент, стабилизирующие и регулирующие добавки в виде микробного ксантанового биополимера, модифицированого крахмала, лигносульфонатного реагента, оксида магния и кальция, кальцинированной соды, хлорида калия и консерванта - биоцида, отличающийся тем, что в качестве афронгенерирующего компонента он содержит добавку протеинового гидролизата при следующем соотношении компонентов, мас.%:
US 5881826 А, 16.03.1999 | |||
БЕЗГЛИНИСТЫЙ БУРОВОЙ РАСТВОР | 2000 |
|
RU2226540C2 |
БЕЗГЛИНИСТЫЙ БУРОВОЙ РАСТВОР ДЛЯ ВСКРЫТИЯ ПРОДУКТИВНЫХ ПЛАСТОВ | 1999 |
|
RU2168531C1 |
Безглинистый буровой раствор | 1990 |
|
SU1808856A1 |
Состав для вскрытия высокопроницаемых коллекторов | 1990 |
|
SU1774946A3 |
US 4155410 А, 22.05.1979 | |||
Устройство для регистрации динамических характеристик колесных транспортных средств | 1973 |
|
SU495579A1 |
Авторы
Даты
2007-06-27—Публикация
2005-04-19—Подача