Буровой раствор Советский патент 1992 года по МПК C09K7/00 

Изобретение относится к бурению нефтяных и газовых скважин, а именно к составам буровых растворов.

Известны буровые растворы на основе глины и воды, которые для улучшения реологических свойств содержат лигносульфо- натные реагенты-стабилизаторы.

Однако подобные буровые растворы вызывают пептизацию выбуренной породы, разупрочнение стенок скважины, недостаточно устойчивы к действию высоких температур, нестабильны во времени.

Наиболее близким к предлагаемому является буровой раствор, включающий кроме глины, воды и лигносульфонатного реагента ингибитор гидратации и разупрочнения глинистых сланцев, состоящий из извести (оксид или гидрооксид кальция) и каустической соды.

Основную роль в снижении набухаемо- сти и диспергируемое™ глины при известковании играет необменное поглощение извести глиной с образованием гидросиликатов и гидроалюминатов кальция, которые

блокируют активные центры поверхности глинистых минералов, вызывая уменьшение ее гидрофильности. Каустик вводится в раствор для ограничения растворимости извести, поскольку повышенное содержание ионов кальция в дисперсионной среде ухудшает стибилизирующую способность защитных реагентов и-вызывает коагуляцию системы, рост водоотдачи и структурно-механических свойств. Кроме того, каустик облегчает взаимодействие Са(ОН)2 с глиной, активируя поверхность глинистого минерала.

Недостатком указанных растворов является их низкая термостойкость, приводящая к загустеванию, а иногда и к затвердеванию этих систем при температурах свыше 120°С. Ограниченная термоустойчивость объясняется интенсификацией с повышением температуры химического взаимодействия глины с гидроокисью кальция и образования конденсационно-кри- сталлизационных структур гидросиликатов кальция, которые являются гидравлическиСО

с

V4 OJ О О 00 01

ми вяжущими веществами. Этот процесс структурообразования усиливается с повышением концентрации извести, что является препятствием к достижению высокой степени кальцинирования и достаточного ингибирующего эффекта.

Целью изобретения является снижение вязкости и прочности структуры, обеспечение реологической термостойкости и термостабильности буровых растворов до 200°С.

Указанная цель достигается тем, что буровой раствор, состоящий из глины, воды, ингибирующей добавки (ингибитора) и лиг- носульфонатного реагента, содержит в качестве ингибитора оксид магния, причем компоненты взяты в следующих соотношениях, мас.%:

Глина8-40

Оксид магния1-3

Лигносульфонатный реагент2-6

ВодаОстальное

В качестве глин были выбраны саригюх- ский бентонит, дружковская гидрослюда и черкасский палыгорскит,

В качестве стабилизаторов использовались реагенты, традиционно исполь- оуемые с и jsecTKoeuM растворе. сульфит-спиртовая барда (ССБ), конденсированная сульфит-спиртовая барда (КССБ) и окзил.

Снижение реологических характеристик, предотвращение температурных загу- стеваний и обеспечение термостойкости до 200°С объясняется хемосорбционным поглощением оксида магния и продуктов его гидратации глиной и с образованием на ее поверхности минералов типа гидросиликатов и гидроалюминатов магния, которые в отличие от гидросиликатов и гидроалюминатов кальция не являются гидравлическими вяжущими веществами и характеризуются значительно большей устойчивостью к действию температур, чем глинистые минералы, а также прочной связью новых поверхностных соединений с реагентами-стабилизаторами.

Одновременно оксид магния обеспечивает и сильный ингибирующий эффект, гид- рофибизируя поверхность частиц и снижая ее набухаемость, о чем свидетельствует значительный рост водоотдачи и коагуляцион- ное загущение подвижного бентонитового раствора после введения в него МдО.

Результаты влияния оксида магния на свойства бентонитовой суспензии представлены в табл. 1.

Наличие на поверхности кристаллической решетки алюмосиликатов гидрата окиси магния и особенности коллоидно-химической активности последнего облегчают и усиливают взаимодействие глинистых минералов с лигносульфонатными реагентами

с образованием координационных и водородных связей между поверхностными ионами магния и полярными группами стабилизаторов, значительно более прочных чем обменные связи реагентов с поверхностью глины, неустойчивых к температурным воздействиям. Образовавшиеся при этом стабилизационные слои гидрофилизуют модифицированные МдО глинистые частицы и надежно экранируют коагуляционнотиксотропные контакты, что обеспечивает низкие реологические параметры предлагаемого бурового раствора, его термостойкость и термостабильность в диапазоне темпеоатуо от 20 до 2СО°С.

Технологию приготовления и порядок испытания предлагаемого раствора описываем на примере раствора № 13 (табл.2).

В 425 мл воды засыпают 50 г саригюх- ского бентонита и перемешивают 1,5 ч на

высокооборотной мешалке. Затем вводят 10 г оксида магния и 15 г КССБ и перемеши вают еще в течение 30 мин. Для оценки термостойкости бурового раствор. т сзойства сохранить рьо/югыческие параметры в технологически допустимых диапазонах в процессе нагрева и охлаждения, и его термостабильности, определяющейся отсутствием гистерезиса реологических свойств при нагреве-охлаждении, часть раствора испытывали в высокотемпературном реометре Fann-50C (США), а оставшийся раствор термостатировали 5 ч во вращающихся автоклавах. Температура нагрева в реометре и автоклавах для растворов с

МдО составляла 200°С, а для растворов с известью (СаО) составляла 150°С, поскольку после нагрева до 200°С все известковые, растворы имели неприемлемо высокие реологические параметры. При испытании в высокотемпературном реометре измеряли реологические параметры растворов в процессе нагрева-охлаждения. После термоста- тирования в автоклавах измеряли плотность, условную вязкость, показатель

фильтрации и водородный показатель растворов.

Результаты экспериментов представлены в табл.2.

Как видно из табл.2, известковые растворы технологически несостоятельны даже при температуре 150°С (растворы 1-3). Предлагаемый буровой раствор, содержащий в качестве ингибитора оксид магния, является термостойким и термостабильным

до 200°С, т.е. сохраняет удовлетворительные реологические свойства в интервале температур 20-200°С и имеет практически идентичные вязкость и прочность структуры до нагрева и после охлаждения.

Диапазон содержания глины определя- ют в растворах 10-12, 16-18. Нижний предел содержания глины 8%, так как ниже этой величины растворы теряют седимен- тационную стабильность, а верхний предел 40%, так как выше этого предела растворы обладают очень высокими структурно-механическими свойствами.

Диапазон содержания оксида магния определяют в растворах 4,6,22,24. Ниже величины 1% - МдО не оказывает заметного модифицирующего действия на глину, что обусловливает низкую термостабильность систем. После нагрева до 200°С и последующего охлаждения вязкость растворов уве- личивается в 2-3 раза, а прочность структуры в 7-10 раз. При концентрации оксида магния свыше 3% повышается волокнистость образовавшихся гидросиликатов магния, что приводит к увеличению прочности структуры и гелеобразованию при высоких температурах.

Пределы содержания понизителя вязкости определяются в растворах 5,6 и 22,23. Ниже содержания лигносульфонатного реагента (2%) не обеспечивается достаточной стабилизации, что приводит к повышенной вязкости и прочности структуры. При превышении верхнего предела (6%) начинается сопряженное структурообразование глинистые частицы - реагент, что также приводит к росту вязкости, статического напряжения сдвига и гистерезису реологических характеристик после охлаждения.

Применение предлагаемого бурового раствора обеспечивает снижение затрат материалов и времени на обработку раствора вследствие высокой термической устойчивости и стабильности системы, а также позволяет исключить применение каустической соды и повышает срок службы бурильного инструмента в результате понижения щелочности предлагаемого бурового раствора по сравнению с прототипом.

Формула изобретен ия Буровой раствор, содержащий, глину, воду, ингибирующую добавку и лигносуль- фонатный реагент, отличающийся тем. что, с целью снижения вязкости и прочности структуры, обеспечения реологической термостойкости и термостабильности до 200°С, раствор содержит в качестве ингибирующей добавки оксид магния, причем компоненты взяты в следующих соотношениях, мас.%: Глина8-40

Оксид магния 1-3

Лигносульфонатный реагент2-6

ВодаОстальное.

Таблица 1

Сущность изобретения: буровой раствор содержит, мас.%: глина 8-40; оксид магния 1-3; лигносульфонатный реагент 2- 6; вода остальное. Характеристики раствора. Обладает низкой вязкостью и прочностью структуры, реаологической термостойкостью и термостабильностью до 200°С. 2 табл.