СТРУКТУРИРОВАННАЯ БУФЕРНАЯ ЖИДКОСТЬ Российский патент 2023 года по МПК C09K8/40 

Область техники

Изобретение относится к области строительства нефтяных и газовых скважин, а именно к буферным жидкостям, применяем в процессе крепления скважин для разделения бурового и тампонажного растворов, удаления глинистой фильтрационной корки и обеспечения качественного сцепления цементного камня с обсадной колонной и породами, образующими стенки скважины.

Предшествующий уровень техники

В настоящее время известны структурированные буферные составы, обеспечивающие устойчивость стенок скважины за счет способности к утяжелению при введении мелкодисперсного наполнителя: мела, барита, гематита и пр. Для удержания частиц утяжелителя во взвешенном состоянии буферная жидкость должна обладать структурой коагуляционного типа с возможностью обратимого разрушения и восстановления. В качестве структурообразователя выступает, как правило, бентонитовый глинопорошок, обладающий способностью к набуханию в водной фазе и образованию структурированных суспензий дальнего порядка. Например, в патенте RU 2154083, опубликованном 10.08.2000, буферная жидкость содержит глинистый структурообразователь, комплексный полимерный стабилизатор на основе полиакриламида и карбоксиметилированной целлюлозы, а также утяжелитель, в качестве которого применяется железорудный концентрат из титано-ванадиевых руд. Данный состав эффективно разделяет промывочную жидкость и цементный раствор, но характеризуется недостаточным моющим действием для удаления со стенок скважины глинистой фильтрационной корки.

В патенте RU 2378313, опубликованном 10.01.2010, описано изобретение, в котором для создания структурированной буферной жидкости используют безглинистую рецептуру на основе оксиэтилированных эфиров целлюлозы и поастификатора, в роли которого выступают карбоксилаты или комплексы из меламиновых или нафталиновых смол. Недостатком данной рецептуры является невозможность ее утяжеления при повышенных температурах, так как полимерная матрица в существенной степени теряет прочность с нагреванием системы.

Из патента RU 2592308, опубликованного 20.07.2016, известно, что для повышения моющей способности буферной жидкости используют комплексно (триполифосфат натрия) совместно с водным раствором бутилгликоля. Аналогичным образом используют в составе моющей буферной жидкости водорастворимые полифосфаты (пирофосфат и/или триполифосфат, и/или метафосфат щелочного металла) в сочетании с неионным ПАВ (оксиэтилированный алкилфенол со степенью оксиэтилирования 9 - 25), как это раскрыто в патенте RU 2204692, опубликованном 20.05.2003. Кроме того, известен также состав моющей буферной жидкости на водной основе, описанный в патенте RU 2455334, опубликованном 10.07.2012, в котором в качестве ПАВ используют композицию солянокислого гидроксиламина и гидрохинона. Однако, общим недостатком моющих буферных композиций на основе неионных и ионных ПАВ является невозможность введения утяжеляющего компонента, но и не обеспечивает хорошее разделение тампонажного и бурового растворов, а также не позволяет эффективно удалять фрагменты отслоившейся глинистой корки.

Из уровня техники известен комплексный порошкообразный состав для приготовления структурированной буферной жидкости, раскрытый в патенте RU 2439118, опубликованном 10.01.2010, в котором для приготовления вязкоупругих структурированных буферных жидкостей используют порошкообразный материал на основе композиции углещелочного реагента, карбоксиметилцеллюлозы и комплексона - нитрилотриметиленфосфоновой кислоты (НТФ). Моющее действие данного состава обеспечивается введением НТФ. Однако структурные свойства такой системы существенно зависят от уровня рН, и, при величине рН более 9 (что характерно для тампонажных растворов) структурные свойства суспензии существенно понижаются.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков является утяжеленная буферная жидкость, раскрытая в патенте RU 2561134, опубликованном 20.08.2015, включающая глинопорошок, стабилизатор, утяжеляющую добавку и воду, при этом в качестве стабилизатора используют полимерный стабилизатор (Натросол 250EXR), а в качестве утяжеляющей добавки - галенитовый концентрат КГ-2.

Данная утяжеленная буферная жидкость имеет ряд недостатков:

1. Глинистый порошок, используемый в качестве основного структурообразователя, образует суспензию, обладающую недостаточными псевдопластическими характеристиками, что не позволяет эффективно выносить фрагменты глинистой корки и является причиной плохого разобщения и нежелательного взаимного смешения тампонажного и бурового растворов.

2. В составе вышеуказанной утяжеленной буферной жидкости отсутствуют моющие ПАВ и активные коагулянты, способные разрушать и отслаивать фильтрационную корку с поверхности ствола скважины. В результате, прокачка утяжеленной буферной жидкости не позволяет эффективно удалять глинистую корку, которая в существенной степени остается на поверхности горных пород, образующих стенки скважины, и препятствует образованию прочного контакта с цементным камнем за счет реализации контракционного эффекта.

3. Утяжеленная буферная жидкость имеет низкое сродство к тампонажному раствору, который разрушает глинистую суспензию, способствуя ее коагуляции и синерезису. В случае применения буферного состава с плотностью выше 1300 кг/м³ происходит значительное загущение системы в зоне контакта с тампонажным раствором с отделением водной фазы. Это нарушает гидравлический режим замещения бурового раствора, приводит к росту давления в кольцевом пространстве и нарушает устойчивость стенок скважины.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание структурированной, способной к утяжелению буферной жидкости, обладающей эффективным сочетанием структурных и псевдопластических характеристик, выраженной способностью к коагуляционному удалению глинистой фильтрационной корки со стенок скважины, а также высоким сродством к тампонажному раствору, смешение с которым не сопровождается загущением и деградацией системы. Признаком наличия структуры является существование предела прочности при деформационном воздействии на буферную жидкость. Чем выше величина предела прочности, тем более структурирована буферная жидкость и тем выше ее седиментационная устойчивость.

Техническим результатом, достигаемым при реализации заявленного изобретения, является создание псевдопластической структурированной буферной жидкости, оптимально соответствующей требованиям крепления скважин в условиях нормального и аномально-высокого пластового давления (АВПД), бурение которых осуществляется с применением полимер-глинистых утяжеленных буровых растворов.

Указанный технический результат достигается за счет того, что структурированная буферная жидкость содержит структурообразователь, стабилизатор и утяжелитель и отличается тем, что в качестве структурообразователя используется известь, в качестве стабилизатора применяется комплекс водорастворимых солей, а в качестве утяжелителя - карбонат кальция и/или сульфат бария, и/или оксид железа (III) при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Известь - 2 - 15;

Комплекс водорастворимых солей - 5 - 40;

Утяжелитель - 1 - 70;

Вода - остальное.

Указанный технический результат достигается также за счет того, что в качестве извести используется гидроксид кальция (Ca(OH)₂) или оксид кальция (CaO), а в качестве комплекса водорастворимых солей используется композиция хлорида натрия и/или хлорида калия, нитрата аммония, сульфата и/или хлорида ns²np¹-элементов и тетрабората натрия при следующем массовом соотношении, мас.%:

Хлорид натрия (NaCl) и/или хлорид калия (KCl) - 5 - 30;

Нитрат аммония (NH₄NO₃) - 5 - 10;

Сульфат и/или хлорид ns²np¹-элементов - 50 - 85;

Тетраборат натрия (Na₂B₄O₇)- 5 - 10.

В заявленной структурированной буферной жидкости в составе комплекса водорастворимых солей в качестве сульфатов и/или хлоридов ns²np¹-элементов используются соединения бора и/или алюминия, и/или галлия.

Заявленная структурированная буферная жидкость представляет собой свободнодисперсную коллоидную систему из микрочастиц малорастворимой гидроокиси ns²np¹-элементов и извести. Предел текучести данной системы увеличивается с ростом концентрации компонентов, участвующих в реакции конденсации гидроокиси, - извести и комплекса водорастворимых солей. Для создания оптимального уровня рН = 10,5 - 11,5 концентрация извести в буферной жидкости должна лежать в интервале 2 - 15%. При этом, концентрация комплекса солей выбирается в эквимолекулярном соотношении по отношению к щелочному структурообразующему агенту (извести) и локализована в интервале 5 - 40%. Концентрационный интервал утяжелителя позволяет варьировать удельный вес буферной жидкости в широком интервале: от 1030 кг/м³ (при концентрации утяжелителя 1% мас.) до 2200 кг/м³ (при концентрации утяжелителя 70% мас.).

Комплекс водорастворимых солей представляет собой композицию специально подобранных продуктов, каждый из которых выполняет определенную функцию:

- хлорид натрия (NaCl) и/или хлорид калия (KCl): индифферентный электролит - регулятор ионной силы, обеспечивающий первичную коагуляцию гидрозоля для создания структуры с дальним порядком взаимодействия коллоидных частиц;

- нитрат аммония: буферная добавка, обеспечивающая стабилизацию оптимального уровня рН дисперсионной среды гидрозоля;

- сульфат и/или хлорид ns²np¹-элементов: участвует в реакции конденсации коллоидной гидроокиси при взаимодействии с известью;

- тетраборат натрия - неиндифферентный электролит, обеспечивающий электростатическую стабилизацию коллоидных частиц гидроокиси ns²np¹-элементов.

Известковый щелочной буфер может быть представлен оксидом или гидроксидом кальция. При этом, действие оксида и гидроксида кальция эквивалентно с учетом разницы молекулярной массы реагентов. Однако при приготовлении буферной жидкости в холодной воде предпочтительно использовать оксид кальция, так как его гидратация сопровождается экзотермическим эффектом.

Приготовление структурированной буферной жидкости осуществляется в результате растворения в воде комплекса солей, компоненты которого вводятся в произвольном порядке. После перемешивания и полного растворения солей вводится гидроксид кальция. Время перемешивания буферной жидкости после введения гидроксида кальция при скорости вращения 3000 об/мин составляет 20 - 30 минут.

Готовую буферную жидкость исследуют, определяя следующие технологические характеристики: предел текучести геля и величина пластической вязкости определяются на ротационном вискозиметре прямой индикации согласно ГОСТ 33213-2014 (ISO 10414-1:2008); краевой угол смачивания водной вытяжки (фильтрата) определяется согласно ГОСТ 9038-90; уровень рН суспензии определяется согласно ГОСТ 33776-2016.

Варианты рецептур новой структурированной буферной жидкости представлены в табл. 1.

Рецептура 1 предназначена для применения в технологии крепления скважин в области нормального пластового давления и включает минимальные концентрации извести (2%) и комплекса водорастворимых солей (5%) для обеспечения предела текучести системы выше 20 дПа, что достаточно для выноса фрагментов глинистой корки, удаляемой со стенки скважины. Концентрация твердой фазы утяжелителя (карбоната кальция) в данной рецептуре минимальна (1%) - это обеспечивает хорошее смачивание гидрофильной поверхности (краевой угол равен 58°) и, соответственно, повышенную проникающую способность буферной жидкости для эффективного отслаивания глинистой фильтрационной корки, сформированной на стенках скважины (табл.1, Рецептура 1).

Рецептура 2 включает максимальные концентрации извести (15%) и комплекса водорастворимых солей (40%) для создания необходимой структуры, способной удерживать частицы утяжелителя (сульфата бария) во взвешенном состоянии. Концентрация сульфата бария в данной рецептуре составляет 20%, что позволяет осуществлять промывку перед креплением скважин в зонах умеренного АВПД. Предел текучести (YP) данной буферной жидкости (44 дПа) почти в 2 раза выше, чем состава по Рецептуре 1. Дальнейшее увеличение концентрации извести (выше 15%) и комплекса водорастворимых солей (выше 40%) нецелесообразно из-за недопустимо высокого увеличения реологических свойств системы, препятствующих ее прокачиванию из-за роста гидравлических потерь. Смачивание данной жидкостью стенок скважины ниже, по сравнению с Рецептурой 1 (краевой угол равен 65°) из-за большей концентрации твердой фазы. При введении утяжелителя также происходит увеличение пластической вязкости системы до 6 мПа⋅с по сравнению с Рецептурой 1 (PV = 1 мПа⋅с) (табл. 1, Рецептура 2).

Рецептура 3 включает максимальную концентрацию утяжелителя (оксид железа (III)) и предназначена для крепления скважин при высоком АВПД. Увеличение концентрации твердой фазы утяжелителя приводит к росту реологических свойств буферной жидкости (PV = 8 мПа⋅с и YP = 66 дПа), по сравнению с Рецептурами 1,2. Уровень псевдопластичности данного состава (YP/PV = 8,3) остается примерно на уровне Рецептуры 2 (YP/PV = 7,3) из-за более низких концентраций извести (4%) и комплекса солей (7%). Поверхностно-активные свойства данной системы (краевой угол = 66°) находятся на уровне Рецептуры 2, что свидетельствует об ограниченном влиянии твердой фазы утяжелителя на смачивающую способность фильтрата буферной жидкости (табл.1, Рецептура 3).

Новая структурированная буферная жидкость имеет следующие преимущества, по сравнению с наиболее близким аналогом:

1. Новая структурированная буферная жидкость (табл.1, примеры 1-4) имеет минимальное значение пластической вязкости (PV) в сочетании с высоким пределом текучести (YP), соотношение которых для всех вариантов рецептур существенно выше, чем у наиболее близкого аналога, что свидетельствует о более высоких псевдопластических характеристиках. Это обеспечивает новой буферной жидкости повышенные выносящую и разобщающую способности, обеспечивающие хороший транспорт фрагментов породы и глинистой корки, а также предотвращающие смешение бурового и тампонажного растворов.

2. Новая структурированная буферная жидкость обладает более низкой величиной краевого угла смачивания фильтратом гидрофильной поверхности, по сравнению с наиболее близким аналогом, что свидетельствует об ее лучшей моющей активности в процессе удаления фильтрационной глинистой корки со стенок скважины (табл.1, примеры 1-4).

3. Новая структурированная буферная жидкость обладает сродством к тампонажному раствору: уровень рН буферной жидкости соответствует рН тампонажного раствора, что обуславливает их хороший уровень совмещения без образования в затрубном пространстве зон с повышенной вязкостью и взаимной коагуляции. Уровень рН наиболее близкого аналога существенно ниже, по сравнению с тампонажным раствором, что обуславливает коагуляционное разрушение суспензии прототипа при контакте в зоне смешения (табл. 1, примеры 1-4).

Таблица 1
Физико-химические свойства буферных жидкостей Состав буферной жидкости, % Пластическая вязкость (PV), мПа⋅с Предел текучести (YP), дПа YP/PV Краевой угол смачива-ния, град. рН, ед. Пример 1
Ca(OН)₂ - 2
Комплекс солей - 5
(NaCl - 5%; NH₄NO₃ - 5%; AlCl₃ - 85%; Na₂B₄O₇ - 5%)
Утяжелитель (карбонат кальция) - 1
Вода - остальное 1 23 23 58 10,5 Пример 2
CaO - 15
Комплекс солей - 40
(KCl - 30%; NH₄NO₃ - 10%; BCl₃ - 50%; Na₂B₄O₇ - 10%)
Утяжелитель (сульфат бария) - 20
Вода - остальное 6 44 7,3 65 11,2 Пример 3
Ca(OН)₂ - 4
Комплекс солей - 7
(KCl - 5%; NH₄NO₃ - 5%; Ga₂(SO₄)₃ - 85%; Na₂B₄O₇ - 5%)
Утяжелитель (оксид железа (III)) - 70
Вода - остальное 8 66 8,3 66 10,8 Пример 4
наиболее близкий аналог 25 50 2 85 7,6

Изобретение относится к области строительства нефтяных и газовых скважин, а именно к буферным жидкостям, применяем в процессе крепления скважин для разделения бурового и тампонажного растворов, удаления глинистой фильтрационной корки и обеспечения качественного сцепления цементного камня с обсадной колонной и породами, образующими стенки скважины. Техническим результатом является создание псевдопластической структурированной буферной жидкости, оптимально соответствующей требованиям крепления скважин в условиях нормального и аномально-высокого пластового давления (АВПД), бурение которых осуществляется с применением полимер-глинистых утяжеленных буровых растворов. Структурированная буферная жидкость содержит структурообразователь, стабилизатор и утяжелитель. В качестве структурообразователя используется известь, в качестве стабилизатора применяется комплекс водорастворимых солей, содержащих хлорид натрия и/или хлорид калия, нитрат аммония, сульфат и/или хлорид ns²np¹-элементов в виде соединений бора и/или алюминия, и/или галлия и тетраборат натрия при их определенном соотношении, а в качестве утяжелителя – карбонат кальция, и/или сульфат бария, и/или оксид железа (III) при их определенном соотношении. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Структурированная буферная жидкость, содержащая структурообразователь, стабилизатор и утяжелитель, отличающаяся тем, что в качестве структурообразователя используется известь, в качестве стабилизатора применяется комплекс водорастворимых солей, содержащих хлорид натрия и/или хлорид калия, нитрат аммония, сульфат и/или хлорид ns²np¹-элементов в виде соединений бора и/или алюминия, и/или галлия и тетраборат натрия, при их следующем соотношении, мас.%:

Хлорид натрия NaCl и/или хлорид калия KCl – 5-30;

Нитрат аммония NH₄NO₃ – 5-10;

Сульфат и/или хлорид ns²np¹-элементов – 50-85;

Тетраборат натрия - Na₂B₄O₇ – 5-10,

а в качестве утяжелителя – карбонат кальция, и/или сульфат бария, и/или оксид железа (III), при следующем соотношении компонентов буферной жидкости, мас.%:

Известь – 2-15;

Комплекс водорастворимых солей – 5-40;

Утяжелитель – 1-70;

Вода - остальное.

2. Структурированная буферная жидкость по п.1, отличающаяся тем, что в качестве извести используют гидроксид кальция - Ca(OH)₂ или оксид кальция – CaO.