БЕЗГЛИНИСТЫЙ ВЫСОКОЩЕЛОЧНОЙ БУРОВОЙ РАСТВОР С ПОВЫШЕННЫМИ КОЛЬМАТИРУЮЩИМИ СВОЙСТВАМИ ДЛЯ БУРЕНИЯ В АГРЕССИВНЫХ СРЕДАХ Российский патент 2019 года по МПК C09K8/10 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к буровым растворам на водной основе, применяемым при бурении в агрессивных средах (углекислотная, бактериальная и сероводордная агрессии). Буровой раствор содержит, мас. %: Duovis - 0,1-0,3; Dextrid - 0,3-0,5; PAC-R - 0,1-0,3; PAC-LV - 0,2-0,3; Defoamer - 0,1-0,2; окись кальция (СаО) - 0,2-0,4; вода остальное. Состав готовят путем обычного перемешивания входящих в него компонентов. Цель изобретения - предупреждение бактериального разложения полимерных реагентов, нейтрализация сероводорода и углекислого газа в буровых растворах путем кольматации для безопасного и безаварийного ведения буровых работ.

Изобретение относится к Нефтегазодобывающей промышленности, а именно к буровым растворам, применяемым при бурении в агрессивных средах.

Известен близкий по составу безглинистый буровой раствор (патент РФ 2179568, C09K 7/02, опубл. 2002.02.20), содержащий крахмал, биополимер, карбонатный утяжелитель, полигликоль, ПАВ и воду. Указанный раствор обеспечивает повышение коэффициента восстановления первоначальной проницаемости продуктивного пласта. Недостатком данного раствора является биологическое разложение в агрессивных средах.

Экономический ущерб от бактериальной, сероводородной и углекислотной агрессии выражается в повышенном расходе материалов и химических реагентов, увеличении непроизводительного времени вследствие возникновения осложнений и аварийных ситуаций (прихват бурильного инструмента) и резком удорожании стоимости буровых работ. Кроме этого, активное размножение бактерий и различных микроорганизмов негативно влияет на проницаемость продуктивных пластов, снижая ее по данным некоторых авторов до 12%, что приводит к ухудшению фильтрационных характеристик пород и резкому снижению нефтеотдачи пластов.

В настоящее время известны три способа борьбы с бактериальной, углекислотной и сероводородной агрессией в буровых растворах:

1. Обработка бурового раствора различными бактерицидами и нейтрализаторами сероводорода.

2. Поддержание солености бурового раствора не ниже 20%.

3. Увеличение показателя рН бурового раствора (щелочности) до 11,5-12,0 (Я.А. Рязанов. Энциклопедия по буровым растворам. - Оренбург: Летопись, 2005. - 664 с.).

Первый способ применяется наиболее часто. В мировой практике бурения и нефтегазодобычи для борьбы с бактериальной, углекислотной и сероводородной коррозией бактерициды и нейтрализаторы сероводорода применяются раздельно. Хотя результатом деятельности отдельных бактерий является образование биогенного сероводорода. Поэтому, по нашему мнению, наиболее эффективным методом борьбы с бактериальной и сероводородной агрессией будет совмещение двух проблем в одну, вне зависимости от происхождения сероводорода (биогенный или природный).

В качестве бактерицидов обычно используют хлорную известь, хлористые и хлорированные соединения, формалин, формальдегид, фенол, катапин (катамин), фунгициды (гербициды), диалкиламины, растворители и другие вещества, а также их производные, которыми непосредственно обрабатывается буровой раствор. Основными недостатками разработанных бактерицидов являются:

- Низкая активность и избирательность в отношении определенных бактерий и микроорганизмов, а также их привыкание к определенному составу, что, естественно, требует либо увеличения концентрации реагента, либо разработку новых видов и типов бактерицидов. В обоих случаях происходит удорожание буровых работ.

- Непродолжительное действие бактерицидов, что снижает технологические свойства бурового раствора и требует дополнительных обработок, что опять же способствует удорожанию буровых работ.

- Многие бактерицидные добавки для эффективного подавления роста бактерий в буровых растворах требуют высоких концентраций, что снова способствует увеличению стоимости буровых работ.

- Абсолютное большинство бактерицидов относятся к токсическим веществам, что требует применения специальных методов для утилизации буровых растворов после окончания бурения, которые опять же увеличивают стоимость буровых работ.

Известны реагенты-нейтрализаторы сероводорода, которые в настоящее время получили наибольшее распространение в практике ведения буровых работ. Многообразие разработанных реагентов-нейтрализаторов в нашей стране и за рубежом свидетельствует, с одной стороны, о значительной потребности в надежных реагентах при ведении буровых работ, а с другой - о недостаточном соответствии существующих реагентов современным требованиям технологии бурения в условиях сероводородной агрессии. Практически ни один из разработанных в настоящее время нейтрализаторов не удовлетворяет в полной мере всем требованиям, предъявляемым к ним технологий и экономикой бурения. Однако разработка новых реагентов с высокой химической активностью по отношению к сероводороду и хорошей совместимостью с буровыми растворами, образующих стабильные продукты при взаимодействии с H₂S и имеющих достаточно широкую сырьевую базу и недорогостоящих, на ближайший период, по-видимому, не является реальной задачей. Поэтому основное внимание должно быть сосредоточено на более рациональном использовании имеющихся реагентов и создании рецептур эффективных буровых растворов для бурения скважин в условиях сероводородной агрессии. Согласно данным Я.А. Рязанова (Энциклопедия по буровым растворам. - Оренбург: Летопись, 2005. - 664 с.) сероводород превращается в относительно безвредные соединения при повышенном значении показателя рН раствора, равного 11,5-12,0.

Второй способ наиболее эффективен при разбуривании соленосных отложений, т.к. буровые растворы предварительно насыщаются солью и поэтому разложение полисахаридов, в частности крахмала, не происходит. Известны безглинистые буровые растворы, применяемые для бурения нефтяных и газовых скважин, в которых стабильность и инертность к действию сероводорода (при газопроявлениях и др.) достигается за счет их солегазовой конденсированной основы. Указанные растворы приготавливаются из жидкого рассола неорганических солей Na(K)Cl/MgCl₂ или CaCl₂/MgCl₂ при обработке его растворами концентрированных щелочей NaOH, KOH или Са(ОН)₂. Затем в них вводятся традиционные химреагенты и утяжелители. Таковым является безглинистый солегелевой буровой раствор, описанный в автореферате докторской диссертации Ангелопуло O.K. Минерализованные буровые растворы с конденсированной твердой фазой. - М., 1981. Специальность 05.15.10. Бурение нефтяных и газовых скважин.

Другим минерализованным буровым раствором является безглинистый буровой раствор, применяемый для бурения нефтяных и газовых скважин, первичного и вторичного вскрытия продуктивных пластов, а также ряда специальных ремонтных работ. В указанном минерализованном растворе необходимая стабильность достигается наличием конденсированной твердой фазы на основе гидрогеля магния: 5MgO⋅MgCl₂⋅Н₂О. Таковым является безглинистый буровой раствор (С.А.Рябоконь, А.С.Нечаев и др. Буферная жидкость для разделения бурового раствора и рассола, используемого при перфорации скважин. Экспресс-информация. Серия: Техника и технология бурения скважин, №2, Отечественный опыт. - М., 1988, с. 19-22), содержащий следующие компоненты: неорганическая соль - хлорид магния, щелочь (гидроокись натрия); защитные реагенты - ТС и др. карбоксиметилцеллюлоза утяжелитель - модифицированный барит, магнетит.

Способ приготовления данных буровых растворов состоит в обработке рассола хлорида магния концентрированным рассолом щелочи (40%-ным раствором NaOH или 60%-ным раствором KOH) для образования гидрогелей конденсированной фазы указанного состава с последующим введением защитных реагентов для приостановления ее роста. После введения защитного реагента получается исходный раствор, который при необходимости утяжеляется традиционным методом. Незначительная поглотительная способность к H₂S может наблюдаться при использовании в качестве утяжелителя магнетита (СНУД).

В патенте В.А. Мосина и др. (Пат. РФ №2118646 C09K 7/0, 08.02.1993) предлагается использовать буровой раствор, содержащий хлорид магния, щелочь, защитный реагент, карбоксиметилцеллюлозу (КМЦ), утяжелитель - магнетит и воду, отличающегося от предыдущих растворов тем, что он дополнительно содержит первичный и вторичный фосфаты калия, а в качестве защитного реагента - конденсированную сульфит-спиртовую барду (КССБ-4) или окзил, или феррохлорлигносульфонат (ФХЛС) при следующем содержании компонентов, мас. %:

Хлорид магния - 3,0-3,7,

Щелочь - 0,7-0,85,

КМЦ-0,18-0,25,

Первичный фосфат калия - 4,5-6,0,

Вторичный фосфат калия - 37-45,

Защитный реагент (КССБ-4, окзил, ФХЛС) - 3,5-4,5,

Магнетит - 9,5-26,5,

Вода - Остальное

Основными недостатками минерализованных буровых растворов является необходимость использования нейтрализатора сероводорода и больших концентраций щелочи (гидрооксид натрия или калия) и солей, что, естественно, способствует удорожанию стоимости буровых работ.

Наиболее перспективным методом нейтрализации бактериальной и сероводородной коррозии, на наш взгляд, является увеличение показателя рН бурового раствора до 11,5-12,5.

Наиболее близким аналогом изобретения является буровой раствор, содержащий, масс. %: биополимер КК Робус 0,15-0,25, реагент на основе целлюлозы - карбоксйметилоксипропилцеллюлозу или гидроксиэтил-целлюлозу 0,35-0,40, реагент на основе крахмала - комплексный реагент КСД 0,50-1,50, пеногаситель СОФЭКСИЛ-4248П 0,10-0,20, воду 97,60-98,90, карбонатный утяжелитель 26,00-37,00 (сверх 100 мас. %) (RU 2427605.27.08.2011, 9 с. - Д1, формула, с. 5, строки 10-22).

Основным недостатком бурового раствора (аналог) является отсутствие в составе бактерицида и регулятора показателя рН, что приведет в итоге к ферментативному разложению биополимера и реагента на основе крахмала.

В практике ведения буровых работ в качестве регулятора показателя рН бурового раствора наибольшее распространение получил гидрооксид натрия (NaOH). Однако согласно проведенным лабораторным исследованиям (С. В. Каменских. Сравнительная оценка степени влияния сероводорода на свойства полимерных химических реагентов // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море: Научно-технический журнал. - М.: ВНИИОЭНГ, №12, 2015. - С. 25-30), установлено, что при повышении температуры до 100°С гидроокеид натрия малоэффективен и наблюдается ферментативное разложение полимерных реагентов, сопровождаемое интенсивной коррозией стали. При этом даже использование бактерицидов оказывается малоэффективным при повышении температуры бурового раствора (таблица 1). Наиболее привлекательна с точки зрения ферментативной устойчивости является окись кальция (таблица 1), которая довольно часто используется производственными работниками для повышения показателя рН раствора.

Окись кальция обладает плохой растворимостью в воде 0,498 г на 500 мл воды. Излишний (нерастворенный) СаО кольматирует поры пласта с сероводородом, нейтрализуя его по формуле:

CaO+H₂S=CaS↓+H₂O

При этом CaS выпадает в осадок, закупоривая поры, по которым происходит кольматация поглощающего пласта и нейтрализация сероводорода.

При контакте СаО с известковым раствором (разбуриваемые карбонатные породы, содержащие CO₂) образуется затвердевшая масса в виде известняка (СаСО₃), которая опять же кольматирует пласт, содержащий CO₂. Реакция протекает следующим образом:

СаСО₃+CO₂+H₂O=Са (НСО₃)₂

При этом гидрокарбонат при нагревании раствора в пластовых условиях снова разрушается, выпадает в осадок как карбонат кальция и кольматирует пласт.

В результате проведенных исследований было установлено, что наиболее эффективен буровой раствор, содержащий разветвленный биополимер (Duovis), целлюлозу (PAC-R И PAC-LV), модифицированный крахмал (Dextrid) и i обработанный окисью кальция (СаО) и пеногасителем (Defoamer). Основные функции и свойства используемых химических реагентов в разработанном буровом растворе представлены в таблице 2.

Биополимер «Duovis» - высокоочищенный разветвленный биополимер (ксантановая смола) с высокой молекулярной массой. Используется для регулирования реологических свойств растворов на водной основе. Даже в сравнительно небольших концентрациях реагент позволяет увеличить вязкость раствора и обеспечить прекрасную удерживающую и выносящую способность. «Duovis» прошел экологическую Сертификацию и допущен к применению на территории РФ в качестве компонента буровых растворов. Реагент подвержен ферментативному разрушению, Неопасен и нетоксичен.

Полианионная целлюлоза «РАС-R» и «РАС-LV» применяется для контроля водоотдачи и дополнительного повышения вязкости большинства буровых растворов на водной основе. Нетоксичны и не требуют Применения бактерицида.

Модифицированный крахмал «Dextrid» - биологически стабилизированный картофельный крахмал используется для контроля водоотдачи буровых растворов на водной основе, сопровождающегося минимальным увеличением вязкости. За счет формирования покрывающего слоя «Dextrid» снижает дисперсию глины и стабилизирует неустойчивые породы. Реагент подвержен ферментативному разложению, нетоксичен.

Пеногаситель Defoamer - смесь высокомолекулярного спирта и производных модифицированных жирных кислот, растворяется в нефти, обладает слабой дисперсностью в воде, применяется для удаления пены из буровых растворов на водной основе, сырой нефти и водных растворов.

Основные свойства и параметры предлагаемого безглинистого высокощелочного бурового раствора представлены в таблице 3, из которой видно, что раствор обладает хорошими структурно-механическими свойствами и низкой водоотдачей, Кроме этого, раствор является безглинистым (биополимерным) и содержит минимум химических нетоксичных реагентов, и поэтому может использоваться при вскрытии продуктивных пластов, являясь при этом экономически и экологически выгодным.

Карбонатный материал, который образовался в результате реакции, может быть ликвидирован в результате кислотной обработки.

Дополнительно безглинистый высокощелочной буровой раствор может быть обработан карбонатным утяжелителем высокой дисперсности, взятого в количестве, необходимом для получения бурового раствора расчетной плотности.

Таким образом, предлагаемый буровой раствор с повышенными кольматирующими свойствами обладает достаточной эффективностью к бактериальной, сероводородной и углекислотной агрессии, отличается малой материалоемкостью и не требует применения бактерицида.

Задачей изобретения является разложение сероводорода как природного, так и биогенного происхождения и углекислотной агрессии до относительно безвредных соединений с целью безопасной и безаварийной проводки скважин.

Эта задача решается путем предупреждения бактериального разложения полимеров (без использования бактерицидов) увеличением щелочности бурового раствора за счет его обработки окисью кальция и кольматацией пластов, содержащих сероводород и углекислый газ.

Технический результат изобретения заключается в предотвращении разложения полимерных реагентов в условиях бактериальной и сероводородной агрессии, кольматации пластов, содержащих H₂S и CO₂.

Решение поставленной задачи достигается тем, что предлагаемый состав бурового раствора обрабатывается окисью кальция при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

Duovis-0,1-0,3;

PAC-R - 0,1-0,3;

PAC-LV - 0,2-0,3;

Dextrid - 0,3-0,5;

Defoamer - 0,1-0,2;

окись кальция (СаО) - 0,2-0,4;

вода остальное.

Заявленный буровой раствор отличается от аналога тем, что содержит биополимер Duovis, пеногаситель Defoamer, в качестве реагента на основе целлюлозы - целлюлозу PAC-R и PAC-LV, в качестве реагента на основе крахмала - модифицированный крахмал Dextrid и дополнительно - регулятор показателя рН - окись кальция СаО, которая не только регулирует показатель рН бурового раствора для нейтрализации сероводорода и предупреждения ферментативного разрушения полимеров, но и для кольматации проницаемых пластов, содержащих диоксид углерода и сероводород.

Вышеперечисленные признаки позволяют считать заявляемый состав безглинистого высокощелочного бурового раствора новым, не описанным в научно-технической и патентной литературе.

Примечание. ДНС - динамическое напряжение сдвига; ПВ - пластическая вязкость; СНС - статическое напряжение сдвига.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к бурению в условиях бактериальной, сероводородной и углекислотной агрессий, в том числе при строительстве скважин в условиях Крайнего Севера и континентального шельфа. Технический результат - разложение сероводорода как природного, так и биогенного происхождения до относительно безвредных соединений с целью безопасной и безаварийной проводки скважин, кольматация пластов, содержащих H₂S и CO₂. Буровой раствор содержит, мас.%: биополимер Duovis 0,1-0,3; целлюлозу PAC-R 0,1-0,3; целлюлозу PAC-LV 0,2-0,3; модифицированный крахмал Dextrid 0,3-0,5; пеногаситель Defoamer 0,1-0,2; окись кальция СаО 0,2-0,4, воду остальное. 1 з.п. ф-лы, 3 табл.

1. Буровой раствор, содержащий биополимер, реагент на основе целлюлозы, реагент на основе крахмала, пеногаситель и воду, отличающийся тем, что содержит биополимер Duovis, пеногаситель Defoamer, в качестве реагента на основе целлюлозы - целлюлозу PAC-R и PAC-LV, в качестве реагента на основе крахмала - модифицированный крахмал Dextrid и дополнительно - регулятор показателя рН - окись кальция СаО при следующем соотношении компонентов, мас.%:

биополимер Duovis 0,1-0,3

целлюлоза PAC-R 0,1-0,3

целлюлоза PAC-LV 0,2-0,3

модифицированный крахмал Dextrid 0,3-0,5

пеногаситель Defoamer 0,1-0,2

окись кальция (СаО) 0,2-0,4

вода остальное.

2. Буровой раствор по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержит карбонатный утяжелитель МК-5, взятый в количестве необходимом для получения бурового раствора расчетной плотности.