Гидрогелевая промывочная система для бурения и первичного вскрытия низкопроницаемых коллекторов Российский патент 2025 года по МПК C09K8/10 E21B21/00 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к гидрогелевым буровым растворам для бурения нефтяных и газовых скважин.

Применение гидрогелевых промывочных систем конденсационного типа обусловлено необходимостью управления реологическими и фильтрационными характеристиками при бурении хемогенных и содержащих активные глины пород. Буровые промывочные системы с конденсированной твердой фазой готовятся на водной основе. Дисперсная фаза в них получается химическим путем в результате взаимодействия находящихся в растворе ионов магния со щелочью NaOH или Са(ОН)₂. Химическая реакция приводит к образованию в растворе микроскопических частиц гидроксида магния Mg(OH)₂. Раствор приобретает гелеобразную консистенцию и после химической обработки превращается в седиментационно устойчивую систему. Такие растворы сохраняют свои структурно-механические свойства при повышенной минерализации, их применяют в случаях, когда требуется обеспечить высокую устойчивость стенок скважины. Гидрогелевые буровые растворы подходят для вскрытия низкопроницаемых продуктивных пластов.

Известен алюмогипсокалиевый буровой раствор, обеспечивающий высокие ингибирующие свойства и низкую водоотдачу, предотвращающий осыпи и обвалы, при этом раствор содержит в кг/м³: структурообразователь Основа Медиум Б 10-40; KOH 0,05-0,3; регулятор реологии Поликсан 1,5-4,0; регулятор фильтрации раствора Оснопак НО 0,8-3,0; регулятор реологии и фильтрации Оснопак ВО 0,5-1,0; регулятор фильтрации Амилор Р-122 12-30; регулятор рН, ингибитор набухания известь гашеная 2-5; ингибитор набухания гипс 15-18; алюмокалиевые квасцы AlgypoDS-103 1,0-3,0; кольматант утяжелитель УМС-100 40-200; техническую воду - остальное до куба, (патент RU 2516400С1, дата публ. 20.05.2014)

В качестве ингибирующей добавки в известном составе взяты алюмокалиевые квасцы, а также гипс и гидроокись кальция (известь гашеная), которая использована также в качестве регулятора рН совместно с гидроокисью калия, при этом в растворе образуется гидроокись алюминия, которая, адсорбируясь на выбуренной породе, препятствует ее переходу в буровой раствор, причем, попадая в трещины и поры, гидроокись алюминия закупоривает их, снижая обводнение пластов и укрепляя стенки скважины; катионы калия блокируют гексагональную структуру глинистых минералов и снижают ее гидратацию, известь адсорбируется на частицах выбуренной породы, снижая их активность и увеличивая глиноемкость раствора.

Недостатком известного бурового раствора является недостаточная ингибирующая способность вследствие невысокой концентрации алюмокалиевых квасцов.

Наиболее близким аналогом заявляемой промывочной системе является известная гидрогелевая промывочная система (патент RU 2561630 С2, дата публ. 27.08.2015), включающая в качестве структурообразователя бишофит и гидроксид натрия в количестве 0,1-0,6 мас. %, в качестве стабилизатора гидрогелевой структуры полианионную целлюлозу низкой степени вязкости, в качестве стабилизатора биополимер ксантанового типа в виде полисахарида на основе ксантана, воду.

Недостатком известной промывочной системы является недостаточная ингибирующая способность вследствие невысокой концентрации используемых высокомолекулярных компонентов.

Технической задачей, на решение которой направлено заявленное техническое решение, является разработка устойчивой гидрогелевой промывочной системы конденсационного типа с управляемыми реологическими характеристиками в диапазоне плотности 1050-1100 кг/м³, предназначенной для ингибирования гидратации глин при вскрытии низкопроницаемых коллекторов и качественного крепления обсадных колонн скважин.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное техническое решение, является повышение ингибирующей способности гидрогелевой буровой системы, а также исключение контракционного эффекта в процессе цементирования обсадных колонн скважин.

Указанный технический результат достигается за счет создания гидрогелевой промывочной системы плотностью 1050-1100 кг/м³ для бурения и первичного вскрытия низкопроницаемых коллекторов, включающей в себя структурообразователь, понизитель фильтратоотдачи, стабилизатор, стабилизатор гидрогелевой структуры и воду, при этом в качестве структурообразователя используют бишофит и гидроксид натрия, в качестве понизителя фильтратоотдачи - оксид магния, в качестве стабилизатора - ксантановую камедь «Биоксан», а в качестве стабилизатора гидрогелевой структуры - полианионную целлюлозу низковязкую ПАЦ-Н при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Бишофит - 6,2-19,6;

Гидроксид натрия NaOH - 3,8-3,9;

Оксид магния MgO - 1,6-0,8;

Ксантановая камедь «Биоксан» - 0,2-0,1;

Полианионная целлюлоза низковязкая «ПАЦ-Н» - 1,6;

Вода - остальное.

Для приготовления промывочной системы был выбран гель гидроксида магния, плотность которого варьируется в широком диапазоне в зависимости от содержания бишофита. Оптимальным с точки зрения получения структурированного геля, совместимого с полимерами, было установлено содержание NaOH, необходимое для нейтрализации бишофита наполовину.

Для повышения устойчивости гелевой структуры были экспериментально подобраны органические полимеры. В их присутствии формируется структурная сетка геля, состоящая из конденсированных микрочастиц гидроксида магния и высокомолекулярных соединений. Течение такого гидрогеля описывается псевдопластической реологической моделью, которая обеспечивает оптимальные выносящие и удерживающие свойства в процессе бурения скважины.

В заявленных гидрогелевых промывочных системах в качестве структурообразователя выступает гель гидроксида магния, который получается путем взаимодействия бишофита MgCl₂⋅6H₂O (ГОСТ 7759-73) и гидроксида натрия NaOH (ГОСТ 4328-77) при мольном соотношении 2:1, обеспечивающем стабильную тиксотропную структуру. Гидрогель гидроксида магния обладает ингибирующей способностью по отношению к глинам. Частицы выбуренной глинистой породы в среде гидрогеля лишены липкости, что минимизирует опасность образования сальников. В составе гидрогеля находится изоморфный оксид магния, повышающий прочность сцепления цементного камня с породой.

В качестве понизителя фильтратоотдачи используется оксид магния MgO (ГОСТ 4526-75). Снижение фильтратоотдачи гидрогелевой системы способствует ингибированию глин и сохранению проницаемости коллекторов.

В качестве стабилизатора, обеспечивающего необходимые реологические характеристики, используется ксантановая камедь марки «Биоксан» (ТУ 2458-025-97457491-2010).

В качестве стабилизатора гидрогелевой структуры в гидрогелевых промывочных системах используется полианионная целлюлоза низковязкая ПАЦ-Н (ТУ 2231-032-97457491-2010).

В лабораторных условиях определяли следующие свойства заявляемой и известной по прототипу промывочных систем: плотность, пластическую вязкость, динамическое напряжение сдвига, статическое напряжение сдвига, вязкость при низкой скорости сдвига, показатель фильтрации LTLP, показатель продольного набухания спрессованных образцов породы при контакте с раствором.

Плотность гидрогелевой промывочной системы определяли с использованием рычажных весов производства OFITE (США).

Структурно-механические и реологические свойства гидрогелевой промывочной системы (пластическую вязкость, динамическое напряжение сдвига, статическое напряжение сдвига) определяли с помощью ротационного вискозиметра модели 900 производства OFITE (США) по ГОСТ 33697-2015.

Вязкость при низкой скорости сдвига (ВНСС) (0,3 об/мин) определяли на вискозиметре Брукфильда, параметры измеряли через 1, 2, 3 мин, шпиндель №66. Показатель фильтрации LTLP определяли при Δр = 0,7 МПа и t = 25°С с использованием фильтр-пресса низкого давления и низкой температуры, производства OFITE (США).

Для оценки ингибирующей активности гидрогелевой промывочной системы по отношению к глинам определяли показатель продольного набухания спрессованных образцов глины при контакте с гидрогелевой промывочной системой с применением тестера линейного набухания глинистых пород в динамических условиях производства OFITE (США). Для проведения исследований использовали спрессованные образцы (в форме «таблеток») Для проведения эксперимента был выбран Ереванский глинопорошок марки ПБВ ТУ 39-01147001-105-93 (Саригюхский бентонит). Материал высушивали при температуре 105°С в течение 2 часов. Глинопорошок прессовали при давлении 6000-7000 psi на компакторе «OFITE» (30 мин). Масса навески составила 10 г. В качестве контроля использовали дистиллированную воду по ГОСТ 6709. Конечной точкой эксперимента выбрали время 16 часов. Эксперимент выполняли согласно инструкции к установке «Dynamic Linear Swellmeter». Коэффициент снижения набухания (ингибирования) К, рассчитывали по формуле:

где h₁ - высота линейного расширения образца глинопорошка в контроле (дистиллированной воде)

h₂ - высота линейного расширения образца глинопорошка в гидрогелевом растворе.

Гидрогелевая промывочная система обладает ингибирующей способностью относительно контроля более 85%. Время 16 часов было выбрано исходя из удобства считывания показаний. Применяемый глинопорошок относится к активным глинам, обладает высокой набухающей способностью, в данном случае прослеживается динамика процесса ингибирования набухания и гидратации.

Способ приготовления гидрогелевой промывочной системы заключается в следующем.

В 887 г пресной воды добавляют 45 г бишофита MgCl₂⋅6H₂O, перемешивают лопастной мешалкой в течение 10 минут при скорости вращения лопасти 400-600 об/мин, далее медленно порциями вводят 35 г гидроксида натрия NaOH, перемешивают после окончания ввода в течение 5 минут для формирования геля, добавляют 15 г оксида магния MgO, перемешивают 5 минут. Затем постепенно добавляют 2 г ксантановой камеди «Биоксан», перемешивают 40 минут, далее вводят полианионную целлюлозу низковязкую «ПАЦ-Н» в количестве 16 г, перемешивают 40 минут. Перед измерением характеристик раствор перемешивают в течение 5 минут лопастной мешалкой.

Аналогичным образом готовили другие составы заявляемой промывочной системы с различным соотношением компонентов.

В таблице 1 приведены сравнительные характеристики гидрогелевой промывочной системы в зависимости от содержания компонентов. В таблице 2 приведены сравнительные характеристики заявленной гидрогелевой промывочной системы с буровым составом по патентам RU 2516400 C1, RU 2561630 С2. В таблице 3 приведены показатели ингибирующих свойств заявленной гидрогелевой промывочной системы.

Согласно таблице 1, растворы 2-3 содержат компоненты предлагаемой рецептуры в различных концентрациях. Раствор №1 приведен в таблице в качестве экспериментального и содержит компоненты в количествах ниже нижнего предела, но при таких соотношениях поставленная задача не достигается. Раствор №1 характеризуется низкой ингибирующей активностью, недостаточно высоким значением статического напряжения сдвига, что снижает выносящую способность раствора, более высокой фильтратоотдачей по сравнению с заявляемой системой.

Экспериментальные данные показывают, что заявляемая гидрогелевая промывочная система имеет диапазон значений плотности, который дает возможность использовать ее при бурении скважин с различными пластовыми давлениями, а также низкие значения показателя фильтрации при перепаде давления, что повышает инертность по отношению к глинам.

Согласно сведениям, приведенным в таблице 2, по сравнению с составами по патентам RU 2516400 С1, 2561630 С2, заявленная гидрогелевая промывочная система имеет диапазон значений плотности, в котором буровые растворы сохраняют оптимальные реологические, фильтрационные и ингибирующие свойства, в совокупности, позволяющие достигать заявленный технический результат.

Согласно таблице 3, заявляемые составы обладают ингибирующей способностью в динамических условиях относительно контрольного образца более 85%, а их степень линейного расширения превосходит более чем в два раза значения данного параметра для контрольного образца.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к гидрогелевым буровым растворам для бурения нефтяных и газовых скважин. Система плотностью 1050-1100 кг/м³ для бурения и первичного вскрытия низкопроницаемых коллекторов включает структурообразователь, понизитель фильтратоотдачи, стабилизатор, стабилизатор гидрогелевой структуры и воду. В качестве структурообразователя используют бишофит и гидроксид натрия, в качестве понизителя фильтратоотдачи - оксид магния, в качестве стабилизатора - ксантановую камедь «Биоксан», а в качестве стабилизатора гидрогелевой структуры - полианионную целлюлозу низковязкую «ПАЦ-Н» при следующем соотношении компонентов мас. %: бишофит 6,2-19,6, гидроксид натрия NaOH 3,8-3,9, оксид магния MgO 1,6-0,8, ксантановая камедь «Биоксан» 0,2-0,1, полианионная целлюлоза низковязкая «ПАЦ-Н» 1,6, вода - остальное. Таким образом повышается ингибирующая способность гидрогелевой буровой системы, исключается контракционный эффект в процессе цементирования обсадных колонн скважин. 3 табл.

Гидрогелевая промывочная система плотностью 1050-1100 кг/м³ для бурения и первичного вскрытия низкопроницаемых коллекторов, включающая в себя структурообразователь, понизитель фильтратоотдачи, стабилизатор, стабилизатор гидрогелевой структуры и воду, при этом в качестве структурообразователя используют бишофит и гидроксид натрия, в качестве понизителя фильтратоотдачи - оксид магния, в качестве стабилизатора - ксантановую камедь «Биоксан», а в качестве стабилизатора гидрогелевой структуры - полианионную целлюлозу низковязкую «ПАЦ-Н» при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Бишофит 6,2-19,6 Гидроксид натрия NaOH 3,8-3,9 Оксид магния MgO 1,6-0,8 Ксантановая камедь «Биоксан» 0,2-0,1 Полианионная целлюлоза низковязкая «ПАЦ-Н» 1,6 Вода остальное