БИОПОЛИМЕРНЫЙ БУРОВОЙ РАСТВОР Российский патент 2009 года по МПК C09K8/06 C09K8/08 

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, в частности к биополимерным буровым растворам (БПБР), используемым при бурении скважин, в том числе горизонтальных, наклонно-направленных, а также для восстановления скважин бурением вторых стволов в условиях аномально низких пластовых давлений.

Анализ существующего уровня техники показал следующее:

- известен БПБР, рецептура которого имеет следующее соотношение ингредиентов, мас.%:

Полимерный понизитель фильтрации 0,1-1,0 Биополимер ксантанового типа 0,2-0,5 Этилендиамиды жирных кислот 0,05-3,0 УЩР или ГКР 3,0-6,0 Хлорид кальция 3,0-40,0 Вода остальное,

(см. патент РФ №2289603 от 13.04.2005 г. по кл. С09К 8/10, опубл. в Бюл. №35, 2006 г.).

Недостатком указанного БПБР является недостаточная эффективность бурения скважин. Это обусловлено следующими причинами: указанный БПБР имеет высокие значения фильтрационных свойств. Это способствует проникновению его фильтрата с содержащимися в нем водорастворимыми ингредиентами в пласт, взаимодействию их с пластовой водой и минералами породы пласта, что приводит к кольматации порового пространства коллектора продуктами реакций и уменьшению в результате этого его фильтрационно-емкостных свойств. Кроме того, образующаяся при фильтрации БПБР рыхлая толстая фильтрационная корка является определяющим фактором возникновения осложнений, связанных с уменьшением диаметра ствола, чрезмерным вращающим моментом, затяжками и прихватом бурильной колонны под действием перепада давления. Указанный БПБР имеет недостаточные показатели структурно-реологических свойств для придания ему необходимой транспортирующей и удерживающей способности (коэффициент нелинейности n>1 - расчетное значение для примера №7, табл.1 описания к патенту). Высокое значение коэффициента нелинейности, обусловленное значениями показателей как пластической вязкости, так и динамического напряжения сдвига, свидетельствует о несоответствии свойств БПБР свойствам, присущим псевдопластичным жидкостям. По реологическим параметрам и значению n>1 данный БПБР относится к дилатантным системам, для которых вязкость повышается с увеличением скорости сдвига, в связи с чем эффективного бурения скважин обеспечить не может. Недостатком данного БПБР является его многокомпонентность, что усложняет способ приготовления, увеличивает затраты времени на приготовление, а также на дополнительную обработку раствора в процессе бурения для поддержания необходимых параметров. При высокой морозостойкости за счет содержания в растворе до 40 мас.% хлорида кальция использование в качестве поверхностно-активного вещества этилендиамидов жирных кислот не обеспечивает получение раствора пониженной плотности, так как это поверхностно-активное вещество не придает ему свойства воздухововлечения;

- в качестве прототипа взят БПБР, рецептура которого имеет следующее соотношение ингредиентов, мас.%:

Биополимер ксантанового типа 0,2 Полианнионная целлюлоза 0,25 Модифицированный крахмал 2,0 Гидроксид щелочного металла 0,08 Водорастворимая соль кремниевой кислоты 1,2 ПАВ МИГ 0,5 Хлорид кальция 30,0 Вода 65,77

(см. патент РФ №2186819 от 23.05.2001 г. по кл. С09К 7/02, опубл. в Бюл. №22, 2002 г.).

Недостатком указанного БПБР является недостаточная эффективность бурения скважин. Это обусловлено следующими причинами: несмотря на то, что указанный БПБР с содержанием хлорида кальция 30 мас.% имеет низкие значения показателя фильтрационных свойств и необходимую морозостойкость, его рецептура не может считаться технологически целесообразной и экономически выгодной, так как для обеспечения стабильности этих показателей БПБР содержит семь ингредиентов кроме воды. Это усложняет способ приготовления, увеличивает затраты времени на приготовление, а также на дополнительную обработку БПБР в процессе бурения для поддержания необходимых параметров. Недостатком является повышенная плотность БПБР, что обусловлено, помимо содержания больших количеств солей, свойствами применяемого ПАВ МИГ и содержанием в составе водорастворимой соли кремниевой кислоты, отрицательно влияющей на воздухововлечение. Повышенная плотность БПБР ограничивает область его применения при бурении скважин в условиях аномально низких пластовых давлений. Кроме того, являясь морозостойким, данный БПБР имеет недостаточные показатели структурно-реологических свойств для обеспечения высокой удерживающей и транспортирующей способности, что определяется коэффициентом нелинейности n, характеризующим псевдопластические свойства. Приведенный в примере №9, табл.2 описания к патенту коэффициент нелинейности n приготовленного раствора, равный 0,40, не соответствуют его реальному расчетному значению, равному 0,51 - в соответствии с показателями η_пл и τ_о, из которых рассчитывается n (см. Грей Дж.Р., Дарли Г.С.Г. Состав и свойства буровых агентов (промывочных жидкостей): пер. с англ. - М.: Недра, 1985. - С.190-193). Поэтому БПБР с повышенным значением n, равным 0,51, не обладает свойствами псевдопластичности в необходимой степени (n<0,5) и не может способствовать качественному проведению работ по бурению скважин. Вероятно, недостаточные структурно-реологические свойства обусловлены низким содержанием биополимера ксантанового типа в рецептуре в сравнении с другими полимерными ингредиентами, что не обеспечивает проявление псевдопластичности. Два из ингредиентов, входящих в рецептуру раствора, относятся ко второму классу опасности (водорастворимая соль кремниевой кислоты и гидроксид щелочного металла), что осложняет задачу утилизации отработанного раствора и не способствует снижению его экологической безопасности.

Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемого изобретения, сводится к следующему: повышается эффективность бурения скважин за счет использования БПБР с улучшенными структурно-реологическими свойствами, обеспечивающими повышенную удерживающую и транспортирующую его способность, при одновременном сохранении фильтрационных свойств и морозостойкости, а также упрощения способа, снижения затрат времени на приготовление БПБР в результате уменьшения исходных ингредиентов с увеличением экологической безопасности их применения.

Технический результат достигается с помощью известного БПБР, включающего биополимер ксантанового типа, модифицированный крахмал, поверхностно-активное вещество, хлорид кальция и воду, отличающегося тем, что он в качестве биополимера ксантанового типа содержит Сараксан-Т, в качестве модифицированного крахмала - Полицелл КМК-БУР2, а в качестве поверхностно-активного вещества - неонол при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

Сараксан-Т 0,2-0,5 Полицелл КМК-БУР2 1,2-1,6 Неонол 0,6-0,8 Хлорид кальция 15-27 Вода остальное.

Заявляемый БПБР соответствует условию «новизны».

Для приготовления БПБР используют Сараксан-Т по ТУ 2458-006-00480709-07, способ получения описан в патенте РФ №2252033 от 19.04.2004 г. по кл. А61К 47/36, С12Р 19/06, Полицелл КМК-БУР2 - карбоксиметиллированный крахмал по ТУ 2262-016-32957739-01, неонол по ТУ 2483-077-05766801-98, хлорид кальция по ГОСТ 450-77.

Сараксан-Т представляет собой легко сыпучий порошок белого или желтовато-кремового цвета, относящийся к 4 классу опасности. По действующему веществу относится к полисахаридам ксантанового типа, содержит остатки глюкозы, маннозы, глюкуроновой и пировиноградной кислот. Вследствие введения стабилизатора (формалина) устойчив к микробиологическому воздействию. Кроме того, Сараксан-Т содержит до 75% экзополисахарида ксантана, продуцируемого штаммом Xanthomonas campestris в питательной среде, до 15% влаги, остатки белковых компонентов, минеральный фон остатка питательной среды (CaCl₃, КН₂РО₄, MgSO₄, Fe₂(SO₄)₃), белок формальдегидного комплекса.

Совместное применение в БПБР используемых ингредиентов способствует получению БПБР, обладающего улучшенными структурно-реологическими свойствами, обеспечивает эффективное бурение скважин, в том числе горизонтальных, наклонно-направленных, а также восстановление скважин бурением вторых стволов в условиях аномально низких пластовых давлений. Это обусловливается следующими процессами. Неонол, являющийся оксиэтилированным моноалкилфенолом на основе тримеров полипропилена, характеризуется высоким воздухововлекающим эффектом, что в совокупности со способностью белковой составляющей Сараксан-Т к воздухововлечению способствует получению БПБР пониженной плотности. Протеины (белки) формальдегидного комплекса Сараксан-Т, являясь ПАВ, обладают некоторыми особыми свойствами, отличающими их от синтетических ПАВ. Формирование равновесного адсорбционного слоя объясняется диффузией глобулярных молекул к межфазной поверхности и развертыванием на ней полипептидной цепи, стабилизирующей полимеркальциевую систему БПБР. Стабилизация полимерсолевой системы БПБР обусловливается наличием сил сцепления между отдельными молекулами адсорбционного слоя, а также подвижностью этих молекул, которая способствует быстрому восстановлению деформаций, возникающих при отрицательных температурах, что обеспечивает морозостойкость раствора. Кроме того, конденсационное влияние катиона Са²⁺ (хлорида кальция) на экзополисахариды Сараксан-Т обуславливает повышение пластической вязкости БПБР, снижая температуру его замерзания. Следовательно, БПБР обладает повышенной морозостойкостью. Сараксан-Т, синтезируемый Xanthomonas campestris, сочетает структурные элементы, химические и реологические свойства кислого разветвленного полисахарида, что в совокупности с полисахаридной цепью Полицелл КМК-БУР2, имеющего основные (щелочные) свойства, обусловливает химическое взаимодейсвие этих ингредиентов и неонола с образованием высокомолекулярных соединений сложной структуры. Этим определяются улучшенные структурно-реологические свойства БПБР, обеспечивающие его повышенную удерживающую и транспортирующую способность. Последние характеризуются коэффициентом нелинейности n. Чем меньше n, тем больше раствор проявляет псевдопластические свойства. Это значит, что вязкость уменьшается с повышением относительных скоростей сдвига и, наоборот, вязкость увеличивается с уменьшением относительных скоростей сдвига. Уменьшение константы n позволяет улучшить вынос породы и очистку скважины за счет выравнивания (уплощения) профиля скоростей течения жидкости в межтрубном пространстве.

Параболическое распределение скоростей в потоке, характерное для ньютоновских жидкостей (n=1), способствует образованию закручивающего эффекта взвешенных частиц выбуренной породы и выталкивает их в области с пониженными скоростями. Результатом этого является рециркуляция твердых частиц вдоль всего жидкостного потока и, как следствие, низкая эффективность очистки скважины. Псевдопластичная жидкость с величиной 0<n<1 имеет более плоский профиль скоростей, что снижает закручивающий эффект, а значит и рециркуляцию твердой фазы и вытесняет ее равномерно вверх по стволу скважины. Пониженные значения n обеспечивают более плоский профиль скоростей и способствуют ламинарности потока и стабильности работы скважины.

Значения n рассчитывают на основе двух любых показаний вискозиметра для двух различных скоростей оборотов ротора по формуле

,

где R₁ - показания вискозиметра при Ni об/мин;

R₂ - показания вискозиметра при N2 об/мин.

(см. Грей Дж.Р., Дарли Г.С.Г. Состав и свойства буровых агентов (промывочных жидкостей): пер. с англ. - М.: Недра, 1985. - С.190-193).

Ингредиенты, входящие в рецептуру БПБР в указанном количестве, обепечивают пониженные значения коэффициента нелинейности n (0,37-0,47), что с учетом вышесказанного свидетельствует о его повышенной удерживающей и транспортирующей способности. Сохранение фильтрационных свойств заявляемого БПБР обеспечивается благодаря синергетическому эффекту взаимодействия Сараксана-Т и Полицелл КМК-БУР2, имеющих сходную эмпирическую основу, но различную структуру и кислотно-основные свойства, предопределяющие образование соединений комплексного типа, существенно повышающих вязкость жидкой фазы полимерносолевой системы БПБР и способствующих образованию тонкой фильтрационной корки повышенной прочности. Подтверждение этому можно видеть при сравнении данных по фильтрации БПБР, приведенных в примерах 11 и 12 акта испытаний, где при прочем равном содержании других ингредиентов раствора (неонола и хлорида кальция) отсутствие одного из остальных ингредиентов Сараксан-Т или Полицелл КМК-БУР2 приводит к резкому росту показателя фильтрации. Причем менее значительное снижение фильтрации в примере 12, что обусловлено конденсирующим действием иона Са²⁺ на Полицелл КМК-БУР2 и повышением за счет этого плотности образующейся фильтрационной корки.

Упрощается способ приготовления и снижаются затраты времени на приготовление БПБР в результате того, что рецептура включает всего четыре исходных ингредиента, кроме воды. Снижаются затраты времени на приготовление БПБР для бурения скважин, а ввиду его ферментативной устойчивости (содержание больших количеств хлорида кальция и формальдегидная обработка Сараксан-Т), стабильности фильтрационных свойств сокращается число дополнительных обработок раствора для поддержания необходимых параметров в процессе бурения. Заявляемый БПБР экологически более безопасен, так как включает ингредиенты 4 класса опасности кроме неонола, относящегося к 3 классу. Кроме того, за счет отсутствия твердой фазы в составе БПБР технико-экономические показатели работы долот повышаются.

Содержание в БПБР Сараксан-Т более 0,5 мас.%, неонола более 0,8 мас.% экономически и технологически нецелесообразно, так как существенного улучшения структурно-реологических свойств при увеличении количества этих ингредиентов не происходит.

Содержание в БПБР Сараксан-Т менее 0,2 мас.%, неонола менее 0,6 мас.%, Полицелл КМК-БУР2 менее 1,2 мас.% приводит к повышению фильтрации, а содержание Полицелл КМК-БУР2 более 1,6 мас.% приводит к повышению коэффициента нелинейности n, что свидетельствует об ухудшении псевдопластических свойств, снижении его транспортирующей и удерживающей способности БПБР.

Содержание хлорида кальция в БПБР менее 15 мас.% отрицательно влияет на антифильтрационные показатели и снижает морозостойкость раствора, а более 27 мас.% приводит к повышению его плотности и ухудшению псевдопластических свойств: повышению значения коэффициента нелинейности n.

Таким образом, согласно вышеуказанному предлагаемым БПБР обеспечивается достижение заявляемого технического результата.

Не выявлены по имеющимся источникам известности технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками предлагаемого изобретения по заявляемому техническому результату.

Заявляемый БПБР соответствует условию «изобретательского уровня».

Более подробно сущность заявляемого изобретения описывается следующими примерами.

Пример (промысловый).

Газовая скважина с аномально низкими пластовыми давлениями находится в простаивающем фонде (обводнение пласта). При проведении капитального ремонта этой скважины установлено нарушение эксплуатационной колонны, сужение ее диаметра. Для восстановления скважины проводят бурение второго ствола.

Исходные данные

Кондуктор 245 мм Глубина спуска кондуктора 387 м Эксплуатационная колонна 168 мм Глубина спуска эксплуатационной колонны 1100 м Интервал перфорации эксплуатационной колонны 986-1014 м Высота подъема цементного раствора за   кондуктором и эксплуатационной колонной 29 м от устья Пластовое давление 1,2 МПа.

Устье скважины оборудовано фонтанной арматурой АФК6-100×210 ХЛ и колонной головкой ОКК 1-245×168-210 ХЛ.

Второй ствол газовой скважины с углом отклонения 83° бурят долотом диаметром 139,7 мм с глубины 930 м на длину 73 м. Для бурения второго ствола предлагаемый БПБР в объеме 23 м³ (15 м³ + 8 м³), определяемом по формуле

,

где V_скв - объем скважины за вычетом объема металла бурильных труб, м³;

V_цс - объем циркуляционной системы, м³,

готовят по 10 м³ за цикл и перекачивают в насосно-емкостной блок.

Для приготовления 10 м³ БПБР при соотношении ингредиентов, мас.%:

Сараксан-Т 0,2 Полицелл КМК-БУР 2 1,6 Неонол 0,6 Хлорид кальция 15 Вода 82,6,

в гидромешалку, заполненную водой в объеме 5,22 м³ (82,6 мас.%), вводят 948 кг (15 мас.%) хлорида кальция и перемешивают до полного его растворения. После этого при перемешивании в полученный раствор вводят 12,6 кг (0,2 мас.%) Сараксан-Т, перемешивают в течение 1 ч и вводят 101 кг (1,6 мас.%) Полицелл КМК-БУР2. Перемешивают раствор полимеров в течение 1 ч, затем оставляют для набухания полимеров и взаимодействия ингредиентов на 2 ч, после чего добавляют 56,7 л (0,6 мас.%) неонола плотностью 1070 кг/м³ и осуществляют перемешивание еще 0,5 ч до получения однородного состава БПБР.

БПБР, готовый к применению, перекачивают в насосно-емкостной блок. Таким образом готовят весь объем БПБР для бурения второго ствола скважины.

БПБР имеет следующие свойства: плотность ρ=632 кг/м³, фильтрация Ф=4,8 см³/30 мин, пластическая вязкость η=16 мПа·с, динамическое напряжение сдвига τ_о=129 дПа, статическое напряжение сдвига за 1 и 10 мин θ_1/10=34/34 дПа, коэффициент нелинейности n=0,45, температура замерзания Т_з=-12°С.

Бурение ведут с механической скоростью около 5 м/ч при производительности бурового насоса УНБ - 600, равной 12 л/с, что при данных структурно-реологических параметрах БПБР обеспечивает ламинарный режим его течения в кольцевом пространстве скважины.

В процессе бурения должна обеспечиваться очистка БПБР от выбуренной породы. Для этих целей целесообразно использовать вибросита, а не гидроциклоны (песко- и илоотделители), в которых образовавшаяся при взаимодействии биополимера и КМК с хлоридом кальция структура ВМС может разрушаться, что неизбежно приведет к снижению псевдопластических свойств БПБР (увеличению значений n), а, следовательно, к ухудшению его удерживающей и транспортирующей способностей, а также повышению фильтрации. Для уменьшения загрязнения бурового раствора твердой фазой требуется обеспечить качественную работу вибросит путем подбора сеток с соответствующим размером ячеек, регулировки их наклона и вибрации.

При бурении параметры БПБР поддерживают на уровне регламентированных введением дополнительных количеств Сараксан-Т и Полицелл КМК-БУР2 по мере необходимости. Плотность раствора регулируют хлоридом кальция.

Применение БПБР со стабильными структурно-реологическими, псевдопластическими и фильтрационными свойствами при бурении скважин в условиях аномально низких пластовых давлений позволит повысить технико-экономические показатели бурения и уменьшить вредное влияние на окружающую среду.

Пример 1 (лабораторный).

Для приготовления 1000 г БПБР в 826 мл (82,6 мас.%) воды растворяют 150 г (15 мас.%) хлорида кальция, затем при перемешивании вводят 2 г (0,2 мас.%) Сараксан-Т и 16 г (1,6%) Полицелл КМК-БУР2. После перемешивания в течение 0,5 ч оставляют для набухания на 2 ч, затем добавляют 5,6 мл неонола (ρ=1070 кг/м³), что составляет (0,6 мас.%), перемешивают еще 0,5 ч до получения однородного состава БПБР.

БПБР имеет следующие свойства: ρ=632 кг/м³, Ф=4,8 см³/30 мин, η=16 мПа·с, τ_о=129 дПа, θ_1/10=34/34 дПа, n=0,45, Т_з= -12°С.

Пример 2

Готовят 1000 г БПБР, г/ мас.%:

Сараксан-Т 5/0,5 Полицелл КМК-БУР2 12/1,2 Неонол 6/ 0,6 (используют 5,6 мл,   ρ=1070 кг/м³) Хлорид кальция 200/20 Вода 777/77,7.

Проводят все операции как в примере 1.

БПБР имеет следующие свойства: ρ=798 кг/м³, Ф=4,5 см³/30 мин, η=22 мПа·с, τ₀=254 дПа, θ_1/10=91/115 дПа, n=0,37, Т_з= -19°C:

Пример 3

Готовят 1000 г БПБР, г/ мас.%:

Сараксан-Т 3/0,3 Полицелл КМК-БУР2 15/1,5 Неонол 7/0,7 (используют 6,5 мл,   ρ=1070 кг/м³) Хлорид кальция 160/16 Вода 815/81,5.

Проводят все операции как в примере 1.

БПБР имеет следующие свойства: ρ=784 кг/м³, Ф=4,7 см³/30 мин, η=15 мПа·с, τ₀=134 дПа, θ_1/10=34/34 дПа, n=0,43, Т_з= -13°С.

Пример 4

Готовят 1000 г БПБР, г/ мас.%:

Сараксан-Т 4/0,4 Полицелл КМК-БУР2 15/1,5 Неонол 8/0,8 (используют 7,5 мл,   ρ=1070 кг/м³) Хлорид кальция 230/23 Вода 743/74,3.

Проводят все операции как в примере 1.

БПБР имеет следующие свойства: ρ=800 кг/м³, Ф=4,0 см³/30 мин, η=20 мПа·с, τ₀=163 дПа, θ_1/10=38/53 дПа, n=0,45, Т_з= -25°С.

Пример 5

Готовят 1000 г БПБР, г/ мас.%:

Сараксан-Т 4/0,4 Полицелл КМК-БУР2 14/1,4 Неонол 7/0,7 (используют 6,5 мл,   ρ=1070 кг/м³) Хлорид кальция 270/27 Вода 705/70,5.

Проводят все операции как в примере 1.

БПБР имеет следующие свойства: ρ=992 кг/м³, Ф=2,0 см³/30 мин, η=31 мПа·с, τ_о=230 дПа, θ_1/10=77/86 дПа, n=0,47, Т_з= -39°С.

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует условию новизны, изобретательского уровня, промышленной применимости, то есть является патентоспособным.

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, в частности к биополимерным буровым растворам (БПБР), используемым при бурении скважин, в том числе горизонтальных, наклонно-направленных, а также для восстановления скважин бурением вторых стволов в условиях аномально низких пластовых давлений. Технический результат изобретения состоит в повышении эффективности бурения скважин за счет использования БПБР с улучшенными структурно-реологическими свойствами, обеспечивающими повышенную удерживающую и транспортирующую его способность, при одновременном сохранении фильтрационных свойств и морозостойкости, снижении затрат времени на приготовление БПБР. Биополимерный буровой раствор содержит, мас.%: Сараксан-Т 0,2-0,5; Полицелл КМК-БУР2 1,2-1,6; неонол 0,6-0,8; хлорид кальция 15-27; вода остальное. 1 табл.

Биополимерный буровой раствор, включающий биополимер ксантанового типа, модифицированный крахмал, поверхностно-активное вещество, хлорид кальция и воду, отличающийся тем, что он в качестве биополимера ксантанового типа содержит Сараксан-Т, в качестве модифицированного крахмала - Полицелл КМК-БУР2, а в качестве поверхностно-активного вещества - неонол при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
Сараксан-Т 0,2-0,5 Полицелл КМК-БУР2 1,2-1,6 Неонол 0,6-0,8 Хлорид кальция 15-27 Вода остальное