Способ получения комплексного реагента-стабилизатора малоглинистых буровых растворов Российский патент 2024 года по МПК C09K8/35 

Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин, в частности к составам реагентов-стабилизаторов буровых растворов малой плотности, с улучшенными значениями реологических и фильтрационных свойств, применяемых при разбуривании продуктивных коллекторов с пониженным пластовым давлением.

При разработке углеводородных скважин в процессе бурения обязательным условием является применение химических реагентов, которые используются для улучшения реологических и гелеобразующих свойств бурового раствора

Технология подбора состава бурового раствора является одним из важнейших аспектов, обеспечивающих способность смазывать и охлаждать головку бура и бурильную колонну, а также переносить выбуренную породу из буровой скважины. Все эти функции требуют соответствующей вязкости бурового раствора для облегчения циркуляци, откачивания и перекачивания выбуренной породы на поверхность и удержания ее от осаждения на буре.

В качестве структурообразующих и загущающих агентов бурового раствора широко применяются химические реагенты на основе карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ), ксантана и гуаровой смолы. Однако представленные реагенты способны подвергаться термальной и биологической деградации в условиях температур выше 140°С. Применение данных реагентов требуют определенных условий: растворение в воде в отсутствии высоких температур, ферментов и микроорганизмов. Химические реагенты на основе КМЦ, ксантана и гуаровой смолы имеют щелочной рН, что требует регулировки рН бурового раствора до требуемого диапазона и применение агента, регулирующего рН, что способствует возникновению экологических проблем и повышению токсичности, в связи с тем, что токсичные материалы могут попасть в месторождение и загрязнять водоснабжение с использованием грунтовых вод.

В последние годы в результате широкого применения буровых добавок при добыче нефти и газа, все больше внимания уделяется вопросам экологии и экономии при разработке скважин. Было установлено, что применение лигносульфонатов натрия улучшают свойства и способствуют снижению эффективной вязкости бурового раствора в условиях бурения. В последние годы основным способом модификации лигносульфоната натрия является именно использование определенных солей лигносульфоната металлов, в которых металлами являются хром, алюминий, железо, медь или их комбинация, соли которых могут окисляться или не окисляться. В прошлом в основном использовались соль хрома или соли хрома, смешанные с другими металлами. В дополнение к лучшим разжижающим свойствам соли хрома повышают термическую стабильность буровых растворов значительно лучше по сравнению с буровыми растворами, содержащими лигносульфонаты других металлов. Однако в последнее время использование хрома не рекомендуется ввиду неизвестного воздействия на окружающую среду и загрязнения. Кроме того, доступность нефти и газа в легкодоступных местах уменьшилась, и стало необходимо бурить скважины на более глубокие уровни. По мере увеличения глубины бурения температура, которой подвергаются буровые растворы, увеличивается, так что термическая стабильность бурового раствора становится все более важным фактором.

Полиакриловые соединения применяются в качестве эффективных диспергаторов, введение которых в буровые растворы повышают его термостойкость. Является актуальным смешивать растворы акриловых соединений с лигносульфонатами натрия с целью получения термически стабильных реагентов для повышения эффективности бурового раствора в высокотемпературных растворах.

Следовательно, целью настоящего изобретения является создание реагента для бурового раствора, не содержащего в своем составе тяжелые металлы и обладающего повышенной термической стабильностью, который можно эффективно использовать при бурении скважин при температурах выше 180°С.

Вышеуказанные и другие цели достигаются с помощью этого изобретения, которое включает использование эффективного диспергирующего количества продукта реакции лигносульфоната натрия и синтезированного акрилового соединения.

Известен состав водного бурового глинистого раствора, содержащий эффективный диспергирующий объем модифицированного лигносульфоната натрия. Модифицированный лигносульфонат натрия получается путем прививочной реакции полимеризации от 5 до 30 весового процента акрилового соединения с лигносульфонатом натрия. Модифицированная лигносульфонатная добавка для бурового раствора обладает высокой термической стабильностью и может эффективно использоваться при бурении скважин в условиях температур выше 150°С, не содержит тяжелых металлов и может быть использована в качестве замены используемых в настоящее время композиций бурового раствора, содержащих лигносульфонат хрома. Еще одной целью является создание состава бурового раствора, обладающего повышенной термической стабильностью и который можно эффективно использовать при бурении скважин при температурах выше 150°С. Другой целью является обеспечение улучшенной добавки для бурового раствора (US 4374738).

Недостатком способа является сложность проведения процесса модифицирования лигносульфоната натрия путем прививочной реакции полимеризации и недостаточно высокая термостабильность полученной добавки.

Известен способ получения привитого сополимера из лигнина, который включает реакцию лигноцеллюлозного материала с акриловым соединением при температуре от 60°С до 100°С в атмосфере азота в присутствии неокисляющей сильной органической кислоты в качестве катализатора. Получений привитый сополимер из лигнина применяется в буровом растворе в качестве гелеобразующего и загущающего агента. В буровой раствор вводят от 0,3% до 0,7% указанного сополимера из лигнина (RU 2538268).

Недостатком способа является отсутствие комбинационных свойств полученного сополимера, который обладает загущающей способностью и характеризуется отсутствием способности снижать вязкость бурового раствора.

Наиболее близким к заявленному изобретению является способ получения комплексного реагента-стабилизатора для различных типов буровых растворов, в том числе полимерных и малоглинистых растворов на основе совмещенного комплекса технических лигносульфонатов натрия, таллового пека и акрилового полимера с высокой молекулярной массой, эффективного регулятора вязкости, фильтрации, реологических и структурно-механических свойств в безглинистых и малоглинистых буровых растворах при оптимальном его расходе (RU 2236430 C1).

Основной недостаток известного технического решения заключается в увеличенном расходе реагента-стабилизатора и ограниченности применения в условиях высоких температур и минерализации.

Задачей изобретения является получение лигносульфонатного реагента комплексного действия на основе совмещенного комплекса технического лигносульфоната натрия и структурообразующего агента на основе акриламида и лимонной кислоты, что обеспечит эффективное снижение показателей условной вязкости и фильтрации, регулирование структурно-механических свойств буровых растворов, устойчивость температурной (до 180°С) и минеральной (10-30% NaCl; 2,5% мас. CaCl₂) агрессии.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе получения комплексного реагента-стабилизатора малоглинистых буровых растворов, включающем образование смешанного комплекса на основе технического лигносульфоната и структурообразующего агента, согласно изобретению предварительно проводят процесс поликонденсации акриламида и лимонной кислоты с формалином в присутствии гидрохинона при температуре 90°С в течение 3 ч при мольном соотношении акриламид: лимонная кислота: формалин: гидрохинон 2:2:4: 0,02 (142 г: 384 г: 120 мл: 0,3 г). Далее в полученную массу синтезированного структурообразующего агента порционно при постоянном перемешивании добавляют водный раствор технического лигносульфоната натрия в соотношении по массе сухих веществ структурообразующий агент: технический лигносульфонат натрия 50 мас. %: 50 мас. % при температуре процесса 60°С и продолжительности 2 ч. Полученную массу охлаждают до комнатной температуры, высушивают ее сначала при температуре 70-80°С, а затем до постоянной массы в сушильном шкафу при температуре 105°С.

В качестве основного исходного компонента для синтеза структурообразующего агента использовали акриламид представляющий собой бесцветные кристаллы: температура плавления, в пределах 82-86°C; точка кипения: 125°С (25 мм рт.ст.); плотность - 1,322 г/см³; растворимость в воде - 216 г /100 мл; рН: 5,0-7,0.

В качестве оксикислоты использовали кислоту лимонную моногидрат, согласно ГОСТ 908-2004, с массовой долей лимонной кислоты (C6H8O7⋅2 H2O), не менее - 99,5%.

В качестве основы лигносульфонатного реагента использовались лигносульфонаты натрия технические жидкие производства ОАО «Сяський ЦБК», согласно ТУ-13-0281036-029-94 с массовой долей сухих веществ, не менее - 47,%; плотность, не менее - 1230 кг/м³; рН водного раствора, не менее - 4,4; вязкость условная, в пределах - 50-320 с.

Анализ известных способов получения термостойких реагентов для буровых растворов показывает, что способ получения комплексного реагента-стабилизатора на основе совмещеного комплекса технического лигносульфоната натрия и синтезированного структурообразующего агента на основе акриламида и лимонной кислоты, обеспечивающих эффективное снижение показателей условной вязкости и фильтрации, регулирование структурно-механических свойств буровых растворов, устойчивость к температурной (до 180°С) агрессии, неизвестен.

Введение в состав лигносульфоната натрия полимерных соединений на основе акриламида придает ему свойства загустителя буровых растворов. Полученные сополимеры могут улучшать реологические свойства водных жидкостей и контролировать их характеристики потери жидкости при низких и высоких температурах.

В процессе бурения оксикислоты, в частности лимонная кислота, в основном используется в качестве рН-буфера недеспергированного бурового раствора с низким содержанием твердых частиц и низким рН. Введение лимонной кислоты способствует быстрому снижению рН бурового раствора и созданию слоя ионов водорода вокруг активных частиц глин, уменьшая их потенциал и, тем самым, уменьшая их способность впитывать воду. Эта функция приводит к уменьшению количества твердых частиц, меньшему набуханию твердых частиц в буровом растворе, уменьшению набухания ствола скважины и более эффективному функционированию оборудования.

Одним из преимуществ использования лимонной кислоты является то, что она в присутствии растительных полимеров на основе натрия, образует соединения, которые проявляют свойства диспергатора в жидкостях на водной основе, способствуя осуществлению контроля реологии бурового раствора.

Эффективность модифицирования лигносульфоната натрия определяли фиксацией показателей снижения поверхностного натяжения, реологических параметров и фильтрации бурового раствора синтезированного структурообразующего агента и лигносульфонатного реагента на его основе, относительно исходных компонентов. Результаты исследований показателей снижения поверхностного натяжения отображены на фигуре.

Как видно из результатов, представленных на фигуре, где представлена кривая зависимости величины поверхностного натяжения от концентрации раствора для исходных веществ: акриламида (АА), лимонной кислоты (ЛК), структурообразующего агента на их основе (ЛК-АА), лигносульфоната натрия (ЛС-Na) и модифицированного лигносульфонатного реагента (Реагент), что реагент на основе совмещенного комплекса на основе лигносульфоната натрия и структурообразующего агента характеризуется наименьшим значением поверхностного натяжения - 30 мН/м, относительно лимонной кислоты (ЛК) - 32 мН/м, акриламида (АА) - 52 мН/м и лигносульфоната натрия (ЛС-Na) - 38 мН/м.

Введение структурообразующего агента в состав совмещенного комплекса приводит к эффективному снижению значения поверхностного натяжения во всем диапазоне концентраций исследуемого раствора.

Совместное взаимодействие технического лигносульфоната натрия и синтезированного структурообразующего агента на основе акриламида и лимонной кислоты, обуславливает стабилизирующий эффект глинистого раствора, эффективное снижение условной вязкости и показателя фильтрации глинистого раствора в условиях повышенной температурной (до 180°С) по сравнению с известными техническими решениями.

Пример осуществления способа получения комплексного реагента-стабилизатора полимерных и малоглинистых буровых растворов.

В трехгорлой колбе, снабженной мешалкой и термометром, предварительно проводили процесс поликонденсации акриламида и лимонной кислоты с формалином в присутствии гидрохинона при температуре 90°С в течение 3 ч при мольном соотношении акриламид: лимонная кислота: формалин: гидрохинон 2:2:4: 0,02 (142 г: 384 г: 120 мл: 0,3 г). Далее в полученную массу синтезированного структурообразующего агента порционно при постоянном перемешивании добавляли водный раствор технического лигносульфоната натрия в соотношении по массе сухих веществ структурообразующий агент: технический лигносульфонат натрия 50 мас. %: 50 мас. % при температуре процесса 60°С и продолжительности 2 ч. Полученную массу охлаждали до комнатной температуры. Полученный продукт представляет собой однородную темноокрашенную массу, которую высушивали сначала при температуре 70-80°С, а затем до постоянной массы в сушильном шкафу при температуре 105°С.

В ходе работы производилось варьирование следующих параметров: масса акриламида, вводимая в реакционную среду варьировалась от 71 г до 142 г; масса лимонной кислоты от 384 г до 768 г, объем формалина от 30 мл до 120 мл; температура от 60°С до 90°С; время от 1 часа до 3 часов.

Оптимальным режимом и расходом реагентов, при проведении синтеза получения модификатора на основе акриламида и лимонной кислоты является: 142 г (2 моль) акриламида, 120 мл (4 моль) формалина и 384 г (2 моль) лимонной кислоты при температуре 90°С и продолжительности 3 часа.

При получении реагента соотношения лигносульфоната натрия и синтезированного структурообразующего агента варьировали (по массе абсолютно сухих веществ),% масс: 25: 50; 50: 50; 75: 50. Влияние соотношений исходных компонентов и режимов процесса на характеристики реагента представлены в таблице 1.

На основании результатов, представленных в таблице 1, оптимальным режимом и расходом реагентов при проведении синтеза получения модификатора на основе акриламида и лимонной кислоты является: 142 г (2 моль) акриламида, 120 мл (4 моль) формалина и 384 г (2 моль) лимонной кислоты при температуре 90°С и продолжительности 3 часа. Оптимальным соотношением при получении модифицированного лигносульфонатного реагента является введение 50% мас. (по абсолютно сухому веществу) синтезированного структурообразующего агента и 50% мас. лигносульфоната натрия; температура процесса - 60°С и продолжительность - 2 часа (образец №10).

Таким образом, показана принципиальная возможность получения комплексного реагента-стабилизатора для буровых глинистых растворов на основе совмещеного комплекса технического лигносульфоната натрия и структурообразующего агента на основе акриламида и лимонной кислоты.

Для определения эффективного снижения показателей условной вязкости и фильтрации, регулирования структурно-механических свойств буровых растворов и термостабильности испытуемых реагентов в качестве исходного был использован глинистый раствор (ИГР), приготовленный из Серпуховского глинопорошка марки ПБМВ со следующими параметрами: условная вязкость (УВ)=64 с, показатель фильтрации (ПФ)=18 см³/30 мин, пластическая вязкость (η_пл)=16 мПа⋅с, динамическая вязкость (τ₀)=68 дПа, статическое напряжение сдвига (CHC_1/10)=92/114 дПа (таблица 2).

На основании полученных результатов в таблице 2, установлено, что исходный лигносульфонат натрия при введении 0,5% мас. навески в глинистый раствор способен снижать показатель условной вязкости с 64 до 52 с, не влияя на показатель фильтрации, однако воздействие температуры (180°С) вызывает резкое снижение разжижающей способности, вызывая загустевание глинистого раствора.

Акриламид, входящий в состав структурообразующего агента способен эффективно снижать показатель фильтрации в диапазоне температур от 20 до 180°С с 18 до 5 см³/30 мин, резко отрицательно влияя на показатель снижения условной вязкости увеличивая его с 64 до 76 с.

Введение в глинистый раствор 0,5% навески лимонной кислоты способствует эффективному снижению показателя условной вязкости с 64 до 21 с, однако увеличивает показатель фильтрации с 18 до см³/30 мин и характеризуется отсутствием структурирования глинистого раствора и является неустойчивой в условиях температур свыше 100°С.

Полученный структурообразующий агент на основе продукта поликонденсации на основе акриламида и лимонной кислоты способен эффективно снижать показатели условной вязкости (УВ) с 64 до 38 с, фильтрации (ПФ) с 18 до 9 см³/30 мин, пластическую вязкость (η_пл) с 16 до 12 мПа и динамическую вязкость (τ₀) с 68 до 48 дПа, а так же статическое напряжение сдвига (СНС_1/10) с 92/114 до 54/78 дПа исходного глинистого раствора. Однако воздействие температуры, в пределах до 180°С, приводит к снижению качественных показателей по всем параметрам.

Введение структурообразующего агента на основе акриламида и лимонной кислоты в состав смешанного комплекса с техническим лигносульфонатом натрия обеспечивает синергетический эффект положительных качественных параметров, перекрывающих недостатки при индивидуальном использовании исходных компонентов.

Таким образом полученный комплексный реагент-стабилизатор на основе смешанного комплекса на основе технического лигносульфоната натрия и стуктурообразующго агента характеризуется устойчивостью к воздействию температур в диапазоне от 20 до 180°С, снижает показатели УВ глинистого раствора с 64 до 25 с, ПФ с 18 до 7 см³/30 мин, в сравнении с прототипом, который проявляет разжижающие и фильтрационные свойства в пределах температур от 20 до 180°С: снижение УВ с 64 до 58 с, ПФ с 18 до 12 см³/30 мин.

Результаты представленных образцов на глинистые растворы в условиях минерализации рассматривалось в сравнении с его прототипом и структурообразующим агентом, в которые были добавлены неорганические соли NaCl (10-30% мас.) и CaCl₂ (2,5% мас.) (таблицы 3 и 4).

При рассмотрении влияния представленных образцов на глинистые растворы с содержанием NaCl от 10 до 30% мас. (таблица 3) можно сделать следующие выводы: наибольшая эффективность регулирования параметров глинистого минерализованного раствора достигается введением 2% добавки опытного комплексного реагента стабилизатора, снижающего показатели УВ от состояния нетекучести до 52 с и ПФ от 40 до 18 см³/30 мин (при 30% мас. NaCl), в отличие от прототипа, снижающего УВ до 105 с, а ПФ до 20 см³/30 мин. Исследуемые реагенты: опытный комплексный реагент-стабилизатор и прототип проявляют стабилизирующие свойства, изменяя показатели CHC_1/10 глинистого раствора с 0/0 до 49/64 и 68/105 дПа, соответственно.

По результатам проведенных испытаний (таблица 4) установлено, что при воздействии на глинистый раствор 2,5% мас. CaCl₂ опытного реагента (2% навеска реагента) характеризуется высокой разжижающей способностью, снижая показатель УВ с 113 с до 35 с, ПФ - с 38 до 13 см³/30 мин, относительно прототипа: показатель УВ снижается с 113 с до 65 с, а ПФ - с 38 до 15 см³/30 мин.

Комплекс проведенных экспериментов показал, что опытный комплексный реагент-стабилизатор на основе смешанного комплекса технического лигносульфоната и структурообразующего агента, являющегося продуктом поликонденсации акриламида и лимонной кислоты обеспечивает эффективное снижение показателей условной вязкости и фильтрации, регулирование структурно-механических свойств буровых растворов, проявляет устойчивость к температурной (до 180°С) и минеральной (10-30% NaCl; 2,5% мас. CaCl₂) агрессии относительно существующих технических решений.

Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин, в частности к реагентам для химической обработки буровых растворов в различных горно-геологических условиях. Технический результат - эффективное регулирование вязкости, фильтрации, реологических и структурно-механических свойств малоглинистых растворов в условиях температурной и минеральной агрессии, отсутствие токсичного хрома в составе реагента. В способе получения комплексного реагента-стабилизатора для малоглинистых буровых растворов, включающем образование смешанного комплекса на основе технического лигносульфоната натрия и структурообразующего агента, предварительно проводят процесс поликонденсации акриламида и лимонной кислоты с формалином в присутствии гидрохинона при температуре 90°С в течение 3 ч при мольном соотношении акриламид : лимонная кислота : формалин : гидрохинон 2:2:4:0,02. Далее в полученную массу синтезированного структурообразующего агента порционно при постоянном перемешивании добавляют водный раствор технического лигносульфоната натрия в соотношении по массе сухих веществ структурообразующий агент : технический лигносульфонат натрия 50 мас. % : 50 мас. % при температуре процесса 60°С и продолжительности 2 ч. Полученную массу охлаждают до комнатной температуры, далее высушивают ее сначала при температуре 70-80°С, а затем до постоянной массы в сушильном шкафу при температуре 105°С. 1 ил., 4 табл., 1 пр.

Способ получения комплексного реагента-стабилизатора для малоглинистых буровых растворов, включающий образование смешанного комплекса на основе технического лигносульфоната натрия и структурообразующего агента, отличающийся тем, что предварительно проводят процесс поликонденсации акриламида и лимонной кислоты с формалином в присутствии гидрохинона при температуре 90°С в течение 3 ч при мольном соотношении акриламид : лимонная кислота : формалин : гидрохинон 2:2:4:0,02, далее в полученную массу синтезированного структурообразующего агента порционно при постоянном перемешивании добавляют водный раствор технического лигносульфоната натрия в соотношении по массе сухих веществ структурообразующий агент : технический лигносульфонат натрия 50 мас. % : 50 мас. % при температуре процесса 60°С и продолжительности 2 ч, полученную массу охлаждают до комнатной температуры, далее высушивают ее сначала при температуре 70-80°С, а затем до постоянной массы в сушильном шкафу при температуре 105°С.