СОЛЕСТОЙКАЯ БЕНТОНИТОВАЯ КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ НА ВОДНОЙ ОСНОВЕ Российский патент 2024 года по МПК C09K8/03 C09K8/22 

Область техники

Изобретение относится к области строительства нефтяных и газовых скважин, в частности, к структурообразующим композициям на основе бентонита для приготовления глинистых и полимер-глинистых промывочных жидкостей. Буровые солестойкие бентопорошки, являющиеся предметом настоящего изобретения, обладают способностью к набуханию и диспергированию в морской, минерализованной или соленасыщенной водной фазе.

Предшествующий уровень техники

Для обеспечения устойчивости глинистых буровых растворов к коагулирующему действию катионов щелочных и щелочноземельных металлов используют различные технологические способы модификации бентонитового сырья, используемого для приготовления буровых глинопорошков. При этом стремятся максимально увеличить скорость диспергирования получаемых бентопорошков для эффективного загущения водной фазы, таким образом, чтобы приготовленная глинистая суспензия была устойчива к деструктирующему действию водорастворимых солей, поступающих в буровой раствор при бурении в разрезах каменной соли или в хемогенных породах. Так, для получения бентопорошка с повышенным показателем выхода глинистого раствора производят предварительное дробление бентонитовой глины и последующий ее совместный помол с натрийсодержащим активатором, в качестве которого используют ромбический кристаллогидрат соды - Na₂CO₃⋅H₂O или природный минерал - термонатрит (Патент RU 2297434, опубликован 20.04.2007). Недостатком данного метода является низкая устойчивость глинистых суспензий на основе полученного бентопорошка к гипсу и ангидриту, которые поступают в буровой раствор при разбуривании карбонатных отложений.

Способность глинопорошка к эффективному набуханию в водной среде повышают также за счет введения модификатора во влажную бентонитовую или палыгорскитовую глину перед ее складированием с последующей выдержкой в течение 720-1080 и более часов, как это описано в заявке на изобретение RU 94035153, опубликованной 20.07.1996. Это позволяет увеличить показатель выхода глинистого раствора, но снижает устойчивость суспензии при поступлении в водную фазу бурового раствора хлорида натрия при разбуривании пропластков каменной соли.

Для интенсификации глинопорошка используют также глинистое сырье бентонитовой, палыгорскитовой или каолинитовой структуры, способ приготовления которого описан в патенте RU 2209824, опубликованном 10.08.2003. Сырье измельчается сочетанием дезинтегрирования с дополнительной термической активацей газообразным теплоносителем при температуре от 150 до 500°С. Недостатком данного способа является то, что он характеризуется повышенной энергоемкостью и неприемлем для крупнотоннажного производства глинопорошка.

Большинство способов увеличения солестойкости глинистого бурового раствора предусматривают введение специальных водорастворимых защитных химических добавок непосредственно в дисперсионную среду бурового раствора. Так, улучшение качества соленасыщенного бурового раствора при снижении пенообразующей способности и повышении его стабильности во времени может быть достигнуто за счет обработки бурового раствора модифицированным крахмалом, как это описано в патенте RU 2385892, опубликованном 10.04.2010.

Другим способом повысить устойчивость глинистого бурового раствора к поступлению минерализованной пластовой воды является использование композиции глинопорошка, карбоксиметилированного крахмала, феррохромлигносульфоната и арабиногалактана, раскрытой в заявке на изобретение RU 2012127471, опубликованной 20.01.2014. В качестве защитного полимера по отношению к дисперсным частицам бентонита в глинистом буровом растворе используется также акриловый сополимер, содержащий мономерные звенья акриламида, метакриламида, акриловой или метакриловая кислот и нитрила акриловой кислоты, как это описано в патенте RU 2104292, опубликованном 10.02.1998.

Все перечисленные способы кинетической стабилизации глинистых буровых растворов за счет применения защитных коллоидов пригодны только в условиях бурения скважин в солевых разрезах, когда коагулирующие катионы поступают в буровой раствор результате растворения минеральных солей, присутствующих в составе бурового шлама. При этом, исходная глинистая суспензия готовится на основе практически пресной технической воды, минерализация которой не превышает 800 - 1000 мг/л по хлориду натрия. Однако, данный метод использования защитных коллоидов не эффективен при необходимости приготовления глинистой суспензии непосредственно на основе морской или минерализованной воды с общей концентрацией хлорида натрия от 1000 до 300000 мг/л.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявленному изобретению является солестойкая бентонитовая композиция для приготовления буровых растворов на водной основе по авторскому свидетельству SU 1331879, опубликованному 23.08.1987, содержащая бентонитовый глинопорошок, кальцинированную соду и синтетический полисахарид - карбоксиметилцеллюлозу.

Данный глинопорошок имеет следующие недостатки:

1. Использование в составе глинпорошка базовой глины, содержание породообразующего монтмориллонита в которой не регламентировано и редко превышает 40 %мас., позволяет снизить чувствительность глинистой суспензии к действию коагулирующих 1:1-валетных солей, однако, в присутствии незначительных концентраций двухвалентных катионов жесткости такая суспензия подвержена быстрому синерезису из-за того, что дисперсные частицы имеют относительно крупные размеры и обладают низкой степенью гидратации.

2. Используемые в составе глинопорошка полимерные стабилизаторы метакрилового ряда (сополимер метакриловой кислоты и метилметакрилата или сополимер метакриловой кислоты и метакриламида), в силу нерегулярной молекулярной структуры и низкой степени замещения на карбоксилатные функциональные группы (менее 30 %мол.), обладают низкой скоростью гидратации и растворения в водной фазе, а также не образуют эффективные развернутые конформации, в результате чего данные полимеры быстро флоккулируют и высаливаются даже при низкой концентрации минеральных солей.

3. Присутствующая в составе глинопорошка карбоксиметилцеллюлоза создает на поверхности дисперсных частиц в первичной суспензии защитный сорбционно-сольватного барьер, который имеет низкую устойчивость и быстро разрушается при введении в водную фазу щелочноземельных катионов, образующих с карбоксилатными группами полимера нерастворимые соединения. Поэтому такие суспензии быстро деградируют с ростом концентрации кальциевых и магниевых солей, что сопровождается неприемлемым понижением вязкости и ростом показателя фильтрации системы.

Раскрытие изобретения

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание солестойкой бентонитовой композиции для приготовления устойчивых глинистых суспензий на основе морской, минерализованной и соленасыщенной воды, концентрация хлорида натрия в которой может варьироваться от 1000 до 300000 мг/л.

Техническим результатом, достигаемым при реализации настоящего изобретения, является рецептура модифицированного бентопорошка, способного к набуханию и диспергированию при затворении в водной фазе с различной степенью минерализации.

Указанный технический результат достигается за счет того, что солестойкая бентонитовая композиция для приготовления буровых растворов на водной основе, содержащая бентонитовый глинопорошок, кальцинированную соду и синтетический полисахарид, содержит бентонитовый глинопорошок, содержащий не менее 65 мас.% монтмориллонита, синтетический полисахарид, выбранный из группы, включающей гидроксиэтилцеллюлозу, гидроксипропилцеллюлозу и карбоксиметилцеллюлозу, и дополнительно высокомолекулярный углевод - ксантановую или гуаровую камедь при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Указанный бентонитовый порошок 86,0-98,5 Кальцинированная сода 0,5-6,0 Указанный синтетический полисахарид 0,5-4,0 Указанная камедь 0,5-4,0,

причем сначала указанный бентонитовый порошок с влажностью не более 12 мас.% смешан с измельченной состояния пудры кальцинированной содой, смесь отправлена на вылежку при температуре не менее 5°С в течение 24 часов, после чего смешена с мелкодисперсным указанным синтетическим полисахаридом, в последнюю очередь введена мелкодисперсная указанная камедь.

Использование в составе бентонитовой композиции порошка на основе бентонитовой глины обеспечивает высокую начальную скорость гидратации глинистых частиц в водной среде. Набухаемость бентонитовых глин является одним из основных технологических показателей их качества в различных отраслях промышленности. Наибольшей набухаемостью и способностью к диспергированию в водной среде обладают бентониты с высоким содержанием монтмориллонита (более 70%). Монтмориллонит, как правило, имеет натриевую форму (Na-форму) от природы или после активации. Из подобного бентонита могут быть получены высокодисперсные водно-бентонитовые суспензии. В группу среднего качества входят бентониты, сумма обменных катионов которых составляет 60-75 мг-экв./100 г глины, а содержание монтмориллонита не должно быть ниже 60 %. В последнюю группу входят суббентониты с низким содержанием монтмориллонита (40-60 %) и низкой набухаемостью. Эквивалентный диаметр частиц монтмориллонита может достигать размеров от 0,1 мкм до 2 мкм и, в среднем, составляет величину порядка 0,5 мкм. Обедненные монтмориллонитом суббентониты образуют грубодисперсные суспензии с медианным размером частиц около 5 мкм. Поверхностная плотность заряда бентонитовых частиц на порядок выше, по сравнению с частицами суббентонита, в результате чего бентонитовые золи имеют повышенную устойчивость к коагуляции неорганическим солями и могут быть получены при затворении бентопорошка в минерализованной водной фазе.

В качестве защитного полиэлектролита солестойкой бентонитовой композиции используются синтетические полисахариды анионного (карбоксиметилцеллюлоза) и неионного (гидроксиэтил- и гидроксипропилцеллюлоза) типов. Данные полисахариды образуют защитный адсорбционный слой вокруг дисперсных частиц бентонита, препятствуя их сближению и коагуляции при увеличении температуры суспензии до 80°С. Камеди ксантанового и гуарового рядов характеризуются регулярной молекулярной структурой с наличием достаточно длинных полиэфирных цепочек для связывания коагуляционно активных двухвалентных катионов (Са²⁺, Mg²⁺) в подандные краунподобные ассоциаты. В результате, при попадании в глинистый раствор солей щелочноземельных металлов эффективная концентрация катионов жесткости понижается и бентопорошок сохраняет способность к набуханию и пептизации.

Получение солестойкой бентонитовой композиции происходит при смешении в стандартных условиях (25°С, 0,1 МПа) бентопорошка с измельченной до состояния пудры кальцинированной содой, а также с мелкодисперсными полимерными стабилизаторами в соответствии с рецептурой, представленной в формуле изобретения. Сначала бентопорошок с влажностью не более 12 %мас. смешивается с кальцинированной содой, после чего смесь отправляется на вылежку при температуре не менее 5°С в течение 24 часов, после чего смешивается с синтетическим полисахаридом; в последнюю очередь вводится камедь. Смесь усредняется до полной однородности во всех точках смесительной установки.

Для исследования технологических характеристик солестойкой бентонитовой композиции использовали следующие методики:

- для определения эффективной вязкости (AV) и прочности геля (GEL) бентонитовой суспензии используют ротационный вискозиметр прямой индикации FANN-35SA (фирма Baroid) согласно п.6.3 ГОСТ 33213-2014 «Контроль параметров буровых растворов в полевых условиях. Растворы на водной основе»;

- определение показателя фильтрации (F) бентонитовой суспензии производилось на стандартном фильтр-прессе LPLT FANN (фирма Baroid) при перепаде давления 7 атм. согласно п.7 ГОСТ 33213-2014.

Варианты осуществления изобретения

Примеры рецептур солестойкой бентонитовой композиции представлены в табл.1.

В Рецептуре 1 бентопорошок смешивается с кальцинированной содой, карбоксиметилцеллюлозой (КМЦ) и ксантановой камедью (XC) при соответствующем массовом соотношении компонентов 86:6:4:4 (табл. 1, Рецептура 1). За счет высокого содержания активирующей добавки (соды) и полимерных стабилизаторов композиция обладает способностью к набуханию и получению вязкой суспензии в соленасыщенной водной фазе.

В Рецептуре 2 готовится бентонитовый состав аналогично Рецептуры 1, отличающийся тем, что вместо ксантановой камеди используется гуаровая камедь (GC) (табл.1, Рецептура 2).

В Рецептуре 3 бентопорошок смешивается с кальцинированной содой, гидроксиэтилцеллюлозой (ГЭЦ) и ксантановой камедью (XC) при соответствующем массовом соотношении компонентов 98,5:0,5:0,5:0,5 (табл. 1, Рецептура 3). Минимальное вложение активатора и полимерных реагентов позволяет получить технологически эффективную бентонитовую суспензию в морской воде.

В Рецептуре 4 приготовление композиции бентонита и полимеров производится в тех же пропорциях, что и в Рецептуре 3, в отличие от которой гуаровая камедь (GC) используется вместо ксантановой (табл.1, Рецептура 4).

В Рецептуре 5 бентопорошок смешивается с кальцинированной содой, гидроксипропилцеллюлозой (ГПЦ) и гуаровой камедью (GC) при соответствующем массовом соотношении компонентов 90:4:2:4 (табл. 1, Рецептура 5). Данная композиция эффективно затворяется в минерализованной и соленасыщенной воде с образованием тиксотропного геля.

В Рецептуре 6, приготовленной аналогично Рецептуре 5, гуаровая камедь заменена на ксантановую (XC) (табл. 1, Рецептура 6).

Солестойкая бентонитовая композиция обладает следующими преимуществами, по сравнению с наиболее близким аналогом по авторскому свидетельству SU 1331879:

1. Бентонитовый порошок в составе солестлойкой бентонитовой композиции, в отличие от суббентонитовых глин, содержит не менее 65 %мас. монтмориллонита и образует высокодисперсный золь, характеризующийся высокой плотностью заряда дисперсных частиц, в результате чего реализуется электростатический фактор устойчивости системы. При этом в низкоминерализованной среде (морская вода) бентонитовый золь характеризуется более высокими реологическими (AV) и структурными (GEL) свойствами, по сравнению с прототипом, образующим в водной среде грубодисперсную и менее устойчивую суспензию. Кроме того, показатель фильтрации суспензий на основе бентонитовых композиций существенно ниже, по сравнению с суспензией прототипа из-за образования более плотной глинистой фильтрационной корки и дополнительного стабилизирующего эффекта присутствия гидрофильных полимерных реагентов, загущающих водную фазу системы (табл.1, рецептуры 1-6).

2. При затворении суспензии солестойкой бентонитовой композиции в минерализованной водной фазе в присутствии неиндифферентных фосфат-анионов происходит набухание бентопорошка и стабилизация дисперсных частиц, которая обеспечивается защитным адсорбционным слоем из макромолекул полисахаридов. При использовании анионной КМЦ реализуется электростатический фактор устойчивости золя, а в присутствии неионных ГЭЦ и ГПЦ устойчивость системы обеспечивается за счет сорбционно-сольватного эффекта. Суспензия прототипа из-за отсутствия полимерного защитного барьера обладает существенно более низкими структурно-реологическими свойствами в сочетании с неприемлемо высоким значением показателя фильтрации. (табл.1, рецептуры 1-6).

3. При переходе от морской воды к соленасыщенной водной фазе происходит снижение реологических и структурных свойств бентонитовой суспензии и увеличение ее показателя фильтрации. В условиях полного соленасыщения воды солестойкая бентонитовая композиция, за счет защитного эффекта присутствия регулярного гидроколлоида, сохраняет способность к набуханию и пептизации с образованием стабильного золя с приемлемыми технологическими характеристиками. В соленасыщенной воде прототип практически теряет способность к диспергированию, а образующаяся грубодисперсная суспензия подвержена быстрому синерезису (табл. 1, рецептуры 1-6).

Таблица 1

Технические свойства бентонитовых суспензий

Состав бентопорошка,
мас%. Свойства 6%-ной суспензии бентонита на морской воде (1000 мг/л NaCl + 400 мг/л MgSO₄) Свойства 6%-ной суспензии бентонита на минерализованной воде (100000 мг/л NaCl + 300 мг/л Na₃PO₄ + 2000 мг/л MgSO₄) Свойства 6 %-ной суспензии бентонита на соленасыщенной воде (300000 мг/л по NaCl + 600 мг/л Na₃PO₄ + 6000 мг/л MgSO₄) AV, мПа⋅с GEL,
Па F,
см³/30 мин AV, мПа⋅с GEL,
Па F,
см³/30
мин AV, мПа⋅с GEL,
Па F ,
см³/30мин Рецептура 1
Бентонит - 86
Na₂CO₃ - 6
КМЦ - 4
ХС - 4 63 44 8 38 36 12 30 25 16 Рецептура 2
Бентонит - 86
Na₂CO₃ - 6
КМЦ - 4
GС - 4 56 46 11 42 24 12 36 18 15 Рецептура 3
Бентонит - 98,5
Na₂CO₃ - 0,5
ГЭЦ - 0,5
ХС - 0,5 34 28 12 26 18 18 22 16 22 Рецептура 4
Бентонит - 98,5
Na₂CO₃ - 0,5
ГЭЦ - 0,5
GС - 0,5 30 32 14 27 14 16 24 8 19 Рецептура 5
Бентонит - 90
Na₂CO₃ - 4
ГПЦ - 2
GС - 4 48 52 10 36 48 14 32 30 18 Рецептура 6
Бентонит - 90
Na₂CO₃ - 4
ГПЦ - 2
XС - 4 54 43 7 32 51 18 28 38 18 Патент RU 2118647 34 32 22 25 16 32 12 2 48

Изобретение относится к области строительства нефтяных и газовых скважин, в частности к структурообразующим композициям на основе бентонита для приготовления промывочных жидкостей. Технический результат - возможность приготовления устойчивых глинистых суспензий на основе морской, минерализованной и соленасыщенной воды, концентрация хлорида натрия в которой может варьироваться от 1000 до 300000 мг/л. Солестойкая бентонитовая композиция для приготовления буровых растворов на водной основе содержит, мас.%: бентонитовый глинопорошок 86,0-98,5; кальцинированную соду 0,5-6,0; синтетический полисахарид 0,5-4,0; ксантановую или гуаровую камедь 0,5-4,0. Используемый бентонитовый глинопорошок содержит не менее 65 мас.% монтмориллонита. Синтетический полисахарид выбран из группы, включающей гидроксиэтилцеллюлозу, гидроксипропилцеллюлозу. Причем сначала указанный бентонитовый порошок с влажностью не более 12 мас.% смешан с измельченной до состояния пудры кальцинированной содой, смесь отправлена на вылежку при температуре не менее 5°С в течение 24 ч, после чего смешена с мелкодисперсным указанным синтетическим полисахаридом, в последнюю очередь введена мелкодисперсную указанную камедь. 1 табл., 6 пр.

Солестойкая бентонитовая композиция для приготовления буровых растворов на водной основе, содержащая бентонитовый глинопорошок, кальцинированную соду и синтетический полисахарид, отличающаяся тем, что содержит бентонитовый глинопорошок, содержащий не менее 65 мас.% монтмориллонита, синтетический полисахарид, выбранный из группы, включающей гидроксиэтилцеллюлозу, гидроксипропилцеллюлозу и карбоксиметилцеллюлозу, и дополнительно высокомолекулярный углевод - ксантановую или гуаровую камедь при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Указанный бентонитовый порошок 86,0-98,5 Кальцинированная сода 0,5-6,0 Указанный синтетический полисахарид 0,5-4,0 Указанная камедь 0,5-4,0,

причем сначала указанный бентонитовый порошок с влажностью не более 12 мас.% смешан с измельченной до состояния пудры кальцинированной содой, смесь отправлена на вылежку при температуре не менее 5°С в течение 24 ч, после чего смешена с мелкодисперсным указанным синтетическим полисахаридом, в последнюю очередь введена мелкодисперсная указанная камедь.