ЖИДКИЙ МОДИФИКАТОР РЕОЛОГИИ Российский патент 2022 года по МПК C09K8/02 

Изобретение относится к жидким модификаторам реологических свойств буровых растворов на углеводородной основе (РУО). Может найти применение для повышения значений LSRV - реологических свойств раствора при низких скоростях сдвига, для улучшения очистки горизонтальных скважин, для снижения значения пусковых давлений при восстановлении циркуляции.

Известно решение по патенту RU2436946, опубликовано: 20.12.2011, в котором описана композиция герметика, содержащая полимерсодержащую обратную эмульсию, где полимерсодержащая обратная эмульсия включает частицы, характеризующиеся размером частиц в диапазоне от приблизительно 0,01 микрона до приблизительно 30 микронов, и где полимерсодержащая обратная эмульсия образована обезвоживанием полимерсодержащей обратной эмульсии до содержания 10 мас. % воды.

Герметик содержит нефтяное масло, природную нефть, синтетически полученное масло, минеральное масло, силиконовое масло, набухаемый в воде полимер, содержащий синтетический полимер, сверхабсорбент, природный полимер или их комбинации. Вариативно, комбинации герметика содержат до 80% масла в растворе.

Изобретение по аналогу представляет из себя герметик, т.е. вещество для повышение степени закупоривания больших зон поглощения рабочей жидкости в стволе скважины.

В отличии от заявленного изобретения, которое предназначено для использования в качестве загустителя раствора - вещества, обеспечивающего нужную текучесть бурового раствора, что позволяет обеспечивать неполное закупоривание, известный аналог RU2436946 такими свойствами не обладает, что не позволяет транспортировать буровой раствор.

При этом в аналоге RU2436946 не заявлено о возможностях герметика по прохождению циклов замерзания и использования при низких температурах.

Также, технической проблемой аналога является неустойчивая структурно-механическая сетка в углеводородной дисперсионной среде известной полимерсодержащей обратной эмульсии, что не позволяет препятствовать осаждению частиц твердой фазы при хранении и транспортировках.

Известно решение по патенту RU2301822, в котором биополимеры (микробная ксантановая камедь или ее смесь с гуаровой камедью) используются в качестве структурообразователей буровых растворов. Биополимеры составляют от 0.5 до 2 мас. % в растворе.

Данное решение отличается областью применения и результатом, характеризующимся использованием для бурения и заканчивания скважин на депрессии бурового раствора пониженной плотности (промывочные решения), тогда как заявленное изобретение используется для закачки шлама в пласт.

Кроме того, в заявленном изобретении комбинация с использованием биополимера предполагается к применению для использования в качестве загустителя (модификатора реологии) для жидкости.

Известно решение по патенту RU2436946, которое применяется для ликвидации поглощения (герметик). Заявленное изобретение, наоборот, создает расклинивающий эффект (по сути противоположное действие). В описании аналога указано, что его целью является повышение степени закупоривания больших зон поглощения рабочей жидкости в стволе скважины. Биополимер же в составе заявленного изобретения способствует гидроразрыву пласта (созданию трещин).

Известно решение по патенту RU2698389, в котором полимер улучшает при бурении скважины выносную способность жидкости выбуренной породы на поверхность земли, и обеспечивающий увеличение скорости бурения и проходки на долото и вынос шлама. Заявленное изобретение, наоборот, обеспечивает внесение шлама в трещины и создание расклинивающего эффекта, то есть используется для обратной закачки выбуренной породы в пробуренную утилизационную скважину.

Наиболее близким аналогом является решение по патенту RU2424269, опубликовано: 20.07.2011. В прототипе описан эмульсионный раствор на углеводородной основе, содержащий дизельное топливо, органофильный бентонит, «Эмульгатор МР», «Гидрофобизатор АБР», минерализованную хлоридом калия, или натрия, или кальция водную фазу, минеральный наполнитель - мел или барит, отличающийся тем, что он дополнительно содержит 20%-ный раствор полиизобутилена с молекулярной массой 20000 в индустриальном масле И-20А и окись кальция при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Дизельное топливо 14,98-84,55 Органофильный бентонит 0,39-4,26 «Эмульгатор МР» 0,83-2,38 «Гидрофобизатор АБР» 0,015-0,73 Указанная водная фаза 1,5-36,73 Указанный раствор полиизобутилена 0,33-3,81 Окись кальция 0,39-2,38 Барит или мел остальное

Технической проблемой прототипа является использование эмульсии, которая в сравнении со суспензией не повышает тиксотропные свойства бурового раствора, менее удобна при дозировании, сложна в диспергировании полимера, ей присущи проблемы комкования полимера.

Изобретение по прототипу направлено в первую очередь на улучшение фильтрационно-емкостных характеристик, плюс снижение диспергируемости выбуренного глинистого шлама, тогда как заявленное изобретение предполагается к применению для использования в качестве загустителя, седиментационной устойчивости растворов и придания тикостропных свойств.

Также, технической проблемой прототипа является ограниченная возможность хранения при низких температурах, при прохождении нескольких циклов заморозки теряет качественные характеристики продукта.

В прототипе используется смесь органофильного (обычный бентонитовый порошок в УВ не растворяется) бентонитового глинопорошка и дизельного топлива, которую получают перемешиванием глины, такой как бентонит, и дизельного топлива и размещение смеси в стволе буровой скважины, где глина вступает в контакт с водой с образованием композиции герметика.

Это несет техническую проблему доставки внутрь скважины, такую как смешивание воды с глиной в стволе буровой скважины. У смеси полимера и масла как в заявленном изобретении такого недостатка не наблюдается.

Дополнительные технические проблемы прототипа обусловлены тем, что способ с использованием смеси бентонитового глинопорошка и дизельного топлива обычно недостаточен в случае кавернозного поглощения рабочей жидкости, поскольку композиция характеризуется медленным протеканием химических реакций.

Общей технической проблемой известных решений является то, что их растворы сами по себе не являются системами буровых растворов.

Так, если взять любое из известных аналогов решение и добавить в концентрации 2-10 л/м³ в обычную воду, то они просто образуют пленку и будут плавать на поверхности воды, а в заявленном изобретении в таких концентрациях реагента будет обеспечены воде свойства неньютоновской жидкости (придаст воде вязкостные характеристики).

Задачей изобретения является устранение указанных технических проблем.

Техническим результатом заявленного изобретения является то, что:

- растворы на углеводородной основе (РУО) сами по себе являются системами буровых растворов, обеспечивая воде свойства неньютоновской жидкости (вязкостные характеристики);

- обеспечена возможность хранения при низких температурах, прохождения до нескольких циклов заморозки без потери качественных характеристик продукта;

- композиция обладает устойчивой структурно-механической сеткой в углеводородной дисперсионной среде, удерживая и препятствующая осаждению частиц твердой фазы при хранении и транспортировках;

- обеспечены повышенные суспензионные свойства бурового раствора, обеспечивающие удобство точного дозирования, а также легкость диспергирования полимера и отсутствия проблем комкования полимера;

- исключаются проблемы с доставкой внутрь скважины, в том числе такие как смешивание воды с глиной в стволе буровой скважины.

Указанный технический результат достигается за счет того, что заявлен жидкий модификатор реологии, представляющий собой композицию, включающую нефтерастворимый полимер, природный глинистый минерал, отличающийся тем, что выполнен в виде суспензионной смеси, дополнительно содержит гидравлическое всесезонное масло, соевые фосфолипиды, а в качестве полимера использован биополимер ксантатовой камеди, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Гидравлическое всесезонное масло 40-49,9% Биополимер ксантановой камеди 40-49,9% Природные глинистые минералы 0,1-10% Соевые фосфолипиды 0,1-10%

Предпочтительно, в качестве природного глинистого материала использован бентонит, а композиция подобрана при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Гидравлическое всесезонной масло 48,82% Биополимер ксантановой камеди 46,88% Соевый лецитин 2% Бентонит 2,3%

Осуществление изобретения

Жидкий модификатор реологии является композицией, включающей нефтерастворимый полимер, природный глинистый минерал.

Новым в композиции является то, что модификатор реологии представляет собой суспензионную смесь, дополнительно содержит гидравлическое всесезонное масло, соевые фосфолипиды, а в качестве полимера использован биополимер ксантатовой камеди.

Композиция подобрана при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Гидравлическое всесезонное масло 40-49,9% Биополимер ксантановой камеди 40-49,9% Природные глинистые материалы 0,1-10% Соевые фосфолипиды 0,1-10%

Использование полимера ксантановой камеди в предлагаемом изобретении повышает суспензионные свойства бурового раствора, поскольку суспензия, в сравнении с эмульсией как в прототипе, имеет более высокие тиксотропные свойства бурового раствора, обеспечивает удобство точного дозирования, а также легкость диспергирования полимера, убирая проблемы комкования полимера.

Заявленная суспензионная смесь может быть использована в качестве загустителя, седиментационной устойчивости растворов и придания тикостропных свойств.

Преимуществом заявленной суспензионной смеси является возможность хранения при низких температурах, прохождения до нескольких циклов заморозки без потери качественных характеристик продукта.

В отличии от прототипа в заявленной суспензионной смеси глина не вступает в контакт с водой с образованием композиции герметика, поскольку у смеси полимера и масла такого недостатка не наблюдается, поскольку заявленная суспензионная смесь представляет собой раствор на углеводородной основе. Это позволяет применять суспензионную смесь как рабочую систему буровых растворов, имеющей свойства неньютоновской жидкости (вязкую субстанцию).

В заявленной суспензионной смеси высокоочищенный биополимер ксантановой камеди используется в диапазонах от 40 до 49,9 мас. %.

Суспендированная форма ксантановой камеди обеспечивает удобство точного дозирования, а также легкость диспергирования полимера, лишенная проблем комкования полимера и образования «рыбьих глаз» как при использовании сухого полимера. Использование полимера в составе заявленной суспензионной смеси позволяет применять продукт на морской воде. Именно такая концентрация полимера обеспечивает оптимальную вязкость раствора (50-60 секунд по воронке Марша, вязкость водного раствора на вискозиметре Brookfield при 1,5 об. мин не менее 1950 сантипуаз), несущую способность твердых частиц и удерживании их во взвешенном состоянии при отсутствии динамики жидкости.

При меньших значениях ксантановой камеди вязкость раствора не обеспечивается, а при больших значениях, раствор загустевает.

Гидравлическое всесезонное масло подобрано в заявленной суспензионной смеси в количестве от 40 – 49,9 мас. %. Оно обеспечивает возможность хранения и использование продукта в сложных погодных условиях при температурах до -60°С. Оно также обеспечивает дисперсионность среды, а выбранный диапазон в составе гарантирует сохранение свойств продукта, как уже было сказано, при низких температурах и обеспечивает баланс суспензии биополимера и иных компонентов. При меньших значениях масла дисперсионность среды не обеспечивается.

Соевые фосфолипиды в заявленной суспензионной смеси, а также препараты, содержащие их, подобраны в диапазоне от 0,1 - 10 мас. %. Они служат в качестве разжижителя биополимера ксантановой камеди, для контроля излишней вязкости и для избежания комкования сухого реагента в суспензии. В качестве соевых фосфолипидов могут использоваться, например, соевый лецитин, соевый кефалин, сфингомиелин и другие.

Природные глинистые минералы в заявленной суспензионной смеси подобраны в диапазоне от 0,1 - 10 мас. %. Благодаря ним модифицированный алкиламмонийными соединениями бентонит образовывает устойчивую структурно-механическую сетку в углеводородной дисперсионной среде, удерживая и препятствуя осаждению частиц твердой фазы при хранении и транспортировках, сохраняя текучесть продукта в широком диапазоне температур.

В качестве глинистых минералов предпочтительно использовать бентонит. Но также могут использоваться гидросиликаты Al, Mg и отчасти Fe, являющиеся главными компонентами глин, например, каолинит (и его разновидности - диккит, накрит), аллофан, гизингерит, монтмориллонит, бейделлит, нонтронит, гекторит, волконскоит (хромнонтронит), хризоколла (медная разновидность), вермикулит, сапонит, глауконит и др.

Жидкий модификатор реологии получают путем смешивания ингредиентов композиции.

Пример 1.

Композиция подобрана при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Гидравлическое всесезонной масло 48,82% Биополимер ксантановой камеди 46,88% Соевый лецитин 2% Бентонит 2,3%

Данная композиция является предпочтительным вариантом с оптимальными показателями.

Пример 2.

Композиция подобрана при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Гидравлическое всесезонной масло 40% Биополимер ксантановой камеди 40% Соевый лецитин 10% Вермикулит 10%

Пример 3.

Композиция подобрана при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Гидравлическое всесезонной масло 49,9% Биополимер ксантановой камеди 49,9% Соевый кефалин 0,1% Сапонит 0,1%

Пример 4.

Композиция подобрана при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Гидравлическое всесезонной масло 42% Биополимер ксантановой камеди 44% Соевый сфингомиелин 6% Глауконит 8%

Пример 5.

Композиция подобрана при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Гидравлическое всесезонной масло 46% Биополимер ксантановой камеди 46% Соевый лецитин 4% Каолинит 4%

Качество полученной суспензии исследовалась на предмет заявленных свойств.

Были сделаны эксперименты по приготовлению вязкого водного раствора, с использованием морской воды и 2 г сухого ксантана и еще раствор с 2 мл жидкого ксантана. В растворе с сухим ксантаном было обнаружено образование "рыбьих глаз", а при использовании жидкого нет. Это подтверждало то, что суспензия лучше входит в систему, биополимер легко диспергируется формирует вязкий, стабильный водный раствор.

Каждая промышленная партия продукта проходила контроль качества.

Тестировались свойства вязкости водного раствора именно на морской воде (по Brookfield 1,5 RPM 61 и на Fann 35). Результаты тестирования показаны в Таблице 1.

Таблица 1

Партии Вязкость водного раствора
по Brookfield (1,5 RPM (61) сПз п. 6.4.2ТУ ≥1950 1 201906195000 3000 201906253300 2800 201909255000 3784 201909265000 3752 201909274000 3520 201909304000 3628 201912105000 2828 201912115000.1 2932 201912115000.2 2888 201912124000 3044 201912246000 3552 202006175000.1 2776 202006175000.2 3408 202006185000.1 3528 202006185000.2 3200 3115 3400 1813 3180 1712 3100 3016 3000 1603 3008 LP 2954 LP 3336 202009245000.1 2744 202009245000.2 2780 202009255000.1 2812 202009255000.2 2912 2020102318000 3012 LP_874 2904 LP_816 2872 202012022000 2744

Исследования для оценки оптимальной вязкости раствора.

Вязкость по воронке Марша это время истечения 1 кварты (946мл) пресной воды при 20 ± 0,5°С составляет 26 ± 0,5 сек. Морская вода по вязкости аналогична пресной.

Были сделаны три пробы Раствора XG-SLURRY с морской водой в разных концентрациях: 6 мл/л, 8 мл/л, 10 мл/л.

Измеряли условную вязкость всех концентраций с помощью воронки Марша.

Результаты:

1) 6 мл/л - 65 секунд

2) 8 мл/л - 71 секунда

3) 10 мл/л - 86 секунд

Результаты показывают, что при любых концентрациях реагента происходит повышение вязкости и вода, обработанная реагентом, становится неньютоновской жидкостью.

Исследования возможности хранения и использование продукта в сложных погодных условиях при температурах до -60°С.

Были произведены тесты по заморозке реагента до -10/-20/-30/-40/-50/-60 градусов цельсия, затем реагент нагревался до комнатной температуры и замерялись показатели реологии, тесты показали, что реология реагента после замерзания и нагревания остаётся неизменной, реагент стабилен.

Результаты исследований отражены в Таблице 2.

Таблица 2

Партия Полученные результаты Дата испытания Вязкость водного раствора по Brookfield (1,5 RPM (61) Вязкость водного раствора, при 300 об/мин Вязкость водного раствора, при 6(*50) об/мин Вязкость водного раствора, при 3 (*100) об/мин Вязкость продукта Единица измерения сПз сПз сПз сПз сПз Метод испытания п. 6.4.2ТУ п. 6.4.1 ТУ п. 6.4 ТУ п. 6.4 ТУ Норма по ТУ 20.59.42-233-68836796-2018 ≥1950 ≥11 ≥180 ≥320 202009245000.2 после производства 24.09.2020 2780 14,5 250 350 731 минус 60 градусов 16.02.2021 2456 15 250 400 758 202009245000.1 после производства 24.09.2020 2744 14,5 250 350 724 минус 50 градусов 16.02.2021 2412 15 250 400 755 202009255000.1 после производства 25.09.2020 2812 14,5 250 350 733 минус 40 градусов 16.02.2021 2472 15 250 400 766 202006175000.1 после производства 17.06.2020 2776 15 250 450 673 минус 30 градусов 16.02.2021 2780 15,5 300 450 993 202006185000.1 после производства 18.06.2020 3528 16,5 325 500 681 минус 20 градусов 17.02.2021 2532 15 300 400 640 2020102318000 после производства 23.10.2020 2744 15 300 400 742 минус 10 градусов 17.02.2021 2532 15 325 400 675

Исследования седиментационной устойчивости (способность жидкости обработанную реагентом удерживать во "взвешенном" состоянии твердые частицы) поясняются на Фиг. 1, Фиг. 2.

Для теста использовали колбу 100 мл. заполненную морской водой с добавлением заявленной суспензионной смеси разных концентраций, в качестве твердых частиц был добавлен пропант (в каждую колбу добавлено по 1 г.) в воде, необработанной реагентом, пропант мгновенно оседает на дно колбы, вода неспособна удержать твердые частицы. при обработке реагентом вода удерживает во взвешенном состоянии твердые частицы (пропант).

На приведенных на Фиг. 1, Фиг. 2 фотографиях показаны три колбы с разными концентрациями реагента (с концентрациями реагента = 6 - 8 - 10 мл/литр).

Фотографии сделаны спустя сутки от замешивания. Они показывают, что пропант не оседает в растворе спустя 24 часа, при концентрациях от 8 мл/литр.

Исследования в части взаимодействия с резиновыми компонентами.

В период с 05 по 07 ноября 2019 года компанией NOV Completion Tools проводились стендовые испытания цементируемых муфт ГРП. Для имитации цемента использовалась жидкость на основе технической воды и баритового концентрата марки КБ-3 с добавлением жидкого ксантана XG-Slurry (продукта, изготовленного согласно заявленной суспензионной смеси) в концентрации 7 мл/л для поддержания барита во взвешенном состоянии, плотность смеси - 1.9 г/см³.

Жидкость была залита в сборку и затем вытеснена цементировочной пробкой, продавка осуществлялась технической водой.

В конструкции муфт были установлены уплотнительные элементы из резиновых эластомеров нитриловой группы (Nitrile, HNBR).

Материал резины пробки - HNBR. После успешного вытеснения муфты были опрессованы на 69 МПа (10000 psi) в течение 30 минут, герметично. После опрессовки одна из муфт была открыта шаром, подвижность уплотнений на втулке муфты подтверждена. Изменений на резиновых деталях пробки также не выявлено.

Изобретение относится к жидким модификаторам реологических свойств буровых растворов на углеводородной основе (РУО). Может найти применение для повышения значений LSRV - реологических свойств раствора при низких скоростях сдвига, для улучшения очистки горизонтальных скважин, для снижения значения пусковых давлений при восстановлении циркуляции. Техническим результатом заявленного изобретения является то, что растворы на углеводородной основе (РУО) сами по себе являются системами буровых растворов, обеспечивая воде свойства неньютоновской жидкости (вязкостные характеристики); обеспечена возможность хранения при низких температурах, прохождения до нескольких циклов заморозки без потери качественных характеристик продукта; композиция обладает устойчивой структурно-механической сеткой в углеводородной дисперсионной среде, удерживая и препятствуя осаждению частиц твердой фазы при хранении и транспортировках; обеспечены повышенные суспензионные свойства бурового раствора, обеспечивающие удобство точного дозирования, а также легкость диспергирования полимера и отсутствие проблем комкования полимера; исключаются проблемы с доставкой внутрь скважины, в том числе такие, как смешивание воды с глиной в стволе буровой скважины. Указанный технический результат достигается за счет того, что модификатор реологии представляет собой композицию, включающую нефтерастворимый полимер, природный глинистый минерал. Модификатор выполнен в виде суспензионной смеси, дополнительно содержит гидравлическое всесезонное масло, соевые фосфолипиды, а в качестве полимера использован биополимер ксантатовой камеди. 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 2 ил.

1. Модификатор реологии, представляющий собой композицию, включающую нефтерастворимый полимер, природный глинистый минерал, отличающийся тем, что выполнен в виде суспензионной смеси, дополнительно содержит гидравлическое всесезонное масло, соевые фосфолипиды, а в качестве полимера использован биополимер ксантатовой камеди, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Гидравлическое всесезонное масло 40-49,9% Биополимер ксантановой камеди 40-49,9% Природные глинистые минералы 0,1-10% Соевые фосфолипиды 0,1-10%

2. Модификатор реологии по п.1, отличающийся тем, что в качестве природного глинистого материала использован бентонит, а композиция подобрана при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Гидравлическое всесезонное масло 48,82% Биополимер ксантановой камеди 46,88% Соевый лецитин 2% Бентонит 2,3%