Адгезионная кольматирующая добавка для бурового раствора (варианты)
ADHESIVE MUD ADDITIVE FOR DRILLING FLUID (VERSIONS)

Группа изобретений относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использована для бурения и ремонта скважин, в том числе для вскрытия продуктивных пластов в сложных горно-геологических условиях: в разрезах, сложенных неустойчивыми глинистыми породами, высокопроницаемыми терригенными породами, и может использоваться для блокирования поступления фильтрата технологической жидкости в терригенные горные породы.
Известно, что проникновение водной фазы бурового раствора в горную породу при ее вскрытии, а в особенности при бурении терригенных пород,  способно вызвать целый ряд осложнений, таких как потеря устойчивости ствола скважины в интервалах залегания  глинистых сланцев и аргиллитов, а также дифференциальные прихваты в высокопроницаемых  породах. Для предупреждения этих осложнений путем минимизации проникновения водной фазы бурового раствора и его фильтрата в поры и микротрещины породы используют закупоривающие добавки – кольматанты.  В качестве кольматантов при этом используют такие добавки как карбонат кальция, карбонат магния, диоксид кремния, битум, сульфированный асфальт, сажа, графит и т.п., а также  компаунды на их основе. Поскольку индивидуальные размеры частиц лежат в микронном диапазоне, их называют микрокольматантами.  Такие кольматирующие добавки  индивидуально или в смеси вводятся в буровой раствор до вскрытия на нем  интервалов, сложенных породами,  подлежащими кольматации.
Недостатками подобного подхода  являются:
- пассивный характер кольматации, так как частицы притягиваются к стенке скважины благодаря превышению гидростатического давления столба бурового раствора над пластовым давлением, а также благодаря процессу фильтрации дисперсионной среды раствора внутрь пласта, в который при движении фильтрата вовлекаются и твердые кольматирующие частицы;
- кратковременность эффекта кольматации, так как адгезионные свойства по отношению к породе у такого кольматационного экрана не велики, вследствие чего он подвержен разрушению;
- возможность закупоривания не только стенок скважины,  но и продуктивного пласта, так как мелкие частицы кольматанта способны проникать в поры и трещины на большую глубину.
Известен гидрофобный адгезионный кольматант  (Авторское свидетельство СССР №1433964, С09K 7/06, E21B 33/138, 1988), содержащий анионноактивное ПАВ, соль поливалентного металла, нефть.
Недостатком известного состава является сложность и многостадийность обеспечения эффективной кольматации, так как перед введением в скважину известного кольматирующего состава для его лучшей адгезии стенки скважины последовательно обрабатывают очищающим и гидрофобизирующим составами.
Известен также адгезионный кольматирующий состав (Гайдаров М.М-Р. Исследование и разработка буровых растворов для проводки скважин в глинистых и солевых отложениях: Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук, Санкт-Петербург, 2010), содержащий в качестве микрокольматанта гидрофобные микрочастицы сажи и анионноактивные или катионноактивные ПАВ в качестве адгезионного, то есть обеспечивающего адгезию, компонента. Состав принят в качестве ближайшего аналога.
Недостатком ближайшего аналога является недостаточная сила адгезии кольматанта из-за того, что небольшие молекулы ПАВ, адсорбированные на стенках скважины, в отличие от молекул полимеров, легко подвержены десорбции под воздействием различных факторов, например, под воздействием повышенных температур.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности кольматации.
Технический результат достигается тем, что адгезионная кольматирующая добавка для бурового раствора, содержащая адгезионный компонент и микрокольматант, согласно первому варианту изобретения, в качестве адгезионного компонента содержит полидадмах, в качестве микрокольматанта – гидрофильный микрокольматант, а также содержит воду, при следующем соотношении компонентов, мас.%
Полидадмах                                                        15-45
Гидрофильный микрокольматант                    10-30
Вода                                                                     остальное.
Кроме того, в качестве гидрофильного микрокольматанта адгезионная кольматирующая добавка может содержать диоксид кремния,  алюмосиликаты щелочных и щелочноземельных металлов, сульфированный асфальт, карбонат кальция, карбонат магния, или их смеси.
Технический результат достигается также тем, что адгезионная кольматирующая добавка для бурового раствора, содержащая адгезионный компонент и микрокольматант, согласно второму варианту изобретения, в качестве адгезионного компонента содержит полидадмах, а в качестве микрокольматанта – гидрофобный микрокольматант, а также воду, при следующем соотношении компонентов, мас.%
Полидадмах                                                       15-45
Гидрофобный микрокольматант                     10-30
Вода                                                                     остальное.
Кроме того, адгезионная кольматирующая добавка, в качестве гидрофобного микрокльматанта может содержать гидрофобный диоксид кремния, гидрофобные алюмосиликаты щелочных и щелочноземельных металлов, гидрофобный карбонат кальция, гидрофобный карбонат магния, битум, сажу, графит, или их смеси.
Использование в заявляемой добавке микрокольматанта обусловлено тем, что он представляет собой тонкодисперсный материал, частицы которого выполняют роль необходимых базовых структурных блоков, участвующих в механическом формировании кольматационного экрана. При этом в качестве микрокольматанта могут использоваться частицы, имеющие как гидрофильный, так и гидрофобный характер.
Использование в заявляемой добавке полидадамаха  обусловлено тем, что он выступает в качестве носителя частиц микрокольматанта, обеспечивая направленное действие на терригенные породы, высокую силу адгезии и надежность  формирующегося кольматационного экрана.
В отличие от небольших молекул ПАВ процесс адсорбции полимерных молекул является практически необратимым, поскольку для десорбции полимера необходимо, чтобы одновременно произошла десорбция всех сегментов его молекулы, закрепившихся на горной породе. При десорбции какой-то части сегментов молекулы, прежде, чем произойдет десорбция всей молекулы, высока вероятность адсорбции других сегментов. В силу такой инерционности, полимерная цепь остается надежно адсорбированной на поверхности горной породы.
Полидадамах – дифильное вещество, так как его молекула имеет соответствующее строение: гидрофобный остов и гидрофильные положительно заряженные вторичные цепи, направленные в сторону от гидрофобного остова. Такая его структура обеспечивает то, что при добавлении к полидадмаху, частицы микрокольматанта включаются в структуру его макромолекулы, образуя ассоциат.
Дифильная структура молекулы полидадамаха позволяет ему образовывать ассоциаты как с гидрофильными, так и с гидрофобными микрочастицами. Удержание частиц микрокольматанта в составе ассоциата обеспечивается действием сил межмолекулярных взаимодействий ион-ионной и ион-дипольной природы, если микрокольматант представлен частицами гидрофильного характера; или за счет гидрофобных взаимодействий, если микрокольматант представлен частицами гидрофобного характера.  Реализуемые взаимодействия являются достаточно сильными типами межмолекулярных взаимодействий для водной среды. Поэтому, при попадании адгезионной кольматирующей добавки в среду бурового раствора конформация полимера и всего ассоциата сохраняется, способствуя сохранению  связи твердых частиц микрокольматанта  с молекулой полимера.
При этом такой ассоциат на основе катионноактивного полимера, имея свободные от взаимодействия с микрокольматантом заряженные группы, обращенные в сторону бурового раствора, имеет возможность закрепляться и прочно удерживаться на  поверхности терригенных пород (глинистые минералы, в т.ч. сланцы, аргиллиты,  и песчаники), несущей отрицательный заряд, за счет хемадсорбции.
Использование в заявляемом составе полидадмаха обусловлено также и  тем, что он выступает в роли солюбилизатора для несмешивающихся с водой частиц гидрофобного микрокольматанта.
За счет этого обеспечивается быстрое формирование кольматационного экрана, имеющего высокие адгезионные свойства по отношению к терригенной породе, исключающее возможность проникновения микрочастицами кольматанта на большую глубину и закупоривания ими продуктивного горизонта. За счет создания такого экрана достигается снижение скорости проникновения водной среды бурового раствора в поры и микротрещины породы, а значит и вероятности прихватов, возникающих при высокой проницаемости, обусловленной наличием большого числа таких пор и микротрещин или их существенными геометрическими размерами. При этом остов молекулы полидадмаха формирует пространственную сетку в структуре кольматационного экрана, обеспечивая его армирование, а также дополнительно связывает разобщенные по трещинам частицы породы силами адгезии.
Таким образом, использование заявляемой адгезионной кольматирующей добавки, вводимой в состав бурового раствора, обеспечивает направленную и длительную кольматацию, укрепление неустойчивых глинистых сланцев и аргиллитов, а также снижение прихватоопасности в высокопроницаемых терригенных породах.
Заявляемый технический результат обеспечивается за счет синергетического эффекта компонентов состава в их совокупности, и не может быть обеспечен составляющими его реагентами по отдельности.
На фиг.1 представлена таблица, отражающая примеры составов, приготовленных по вариантам заявляемой группы изобретений.
На фиг.2 представлена таблица, отражающая эксплуатационные характеристики составов по заявляемой группе изобретений.
Для приготовления первого и второго вариантов заявляемого состава используют компоненты, приведенные в таблице 1.
Заявляемая адгезионная кольматирующая добавка как по первому, так и по второму вариантам готовится следующим способом. В воду вводят полидадмах до его полного растворения и гомогенизации. Затем при постоянном перемешивании небольшими порциями всыпают микрокольматант. Состав перемешивают до получения гомогенной смеси. Минимальное количество добавляемой воды должно обеспечивать полную растворимость полидадмаха, максимальное количество ограничено желаемой консистенцией добавки. Подготовленная таким образом добавка может вводиться непосредственно в буровой раствор.
Осуществление технического результата как для первого, так и второго вариантов заявляемого состава подтверждено проведенными исследованиями.
Для этого в качестве модели терригенной породы использовали образцы-таблетки спрессованного глинопорошка, которые наполовину погружали в водный солевой раствор, имитирующий дисперсионную среду бурового раствора, содержащий разные составы добавки, или содержащий только отдельные компоненты добавки, или не содержащий добавку вообще (Фиг.1).  Погружаемые образцы удерживались зафиксированным на штативе пинцетом с торца верхней не погруженной в жидкость части.  В качестве количественного показателя фиксировали время пропитки образца таблетки до границы с пинцетом. Выбор количественного показателя обусловлен следующим: чем эффективнее заявляемая добавка закупоривает поры и каналы, по которым водная фаза бурового раствора проникает внутрь образца, тем больше времени потребуется для его пропитки. Для сравнения оценивали время пропитки образца в растворе, не содержащем заявляемой добавки, или содержащем только отдельные компоненты добавки в концентрации, соответствующей концентрации данного компонента в заявляемой добавке.
Результаты проведенных исследований отражены в таблице на фиг.2.
Из полученных результатов видно, что все варианты заявляемой добавки увеличивают время пропитки образцов. При этом эффективность такого действия при использовании заявляемой добавки выше по сравнению с использованием отдельных компонентов добавки, что указывает на синергетический эффект.
Так, присутствие в растворе одного полидадмаха не увеличивает время пропитки образца. Присутствие в растворе только гидрофильного микрокольматанта, например, сульфированного асфальта также не увеличивает время пропитки образца. Однако при вводе в раствор заявляемой добавки, содержащей в том же количестве полидадмах и гидрофильный микрокольматант, время пропитки образца увеличивается. Синергетическое действие компонентов варианта 2 заявляемой добавки иллюстрируется также тем, что гидрофобный микрокольматант ввиду своей несмачиваемости не способен солюбилизироваться в водной среде. Полидадмах в данном случае выступает в роли солюбилизатора, обеспечивая смешиваемость гидрофобного микрокольматанта и водной среды.
Кроме того, эффективность кольматации дополнительно оценивали по влиянию проникновения фильтрата в образец на целостность образца. Для этого оценивали характер разрушения видимой непогруженной в жидкость части образца в результате пропитки и способность сохранять фиксированное состояние в удерживающем устройстве. Результаты исследования отражены в таблице на  фиг.2. Из полученных результатов видно, что при одном и том же времени выдержки, в течение 6 минут, образцы, погруженные в раствор с заявляемой добавкой, преимущественно сохранили целостность, продолжая удерживаться в фиксирующем устройстве. Образцы, погруженные в раствор, содержащий только отдельные компоненты формулы или раствор, не содержащий таковых вообще, подверглись масштабному разрушению и полному обваливанию из удерживающего устройства.
Проведенные исследования показали повышение эффективности кольматации, которая выражается в увеличении времени пропитки образцов терригенной породы и повышении их устойчивости.
Таким образом, заявляемая группа изобретений позволяет повысить эффективность кольматации неустойчивых глинистых и высокопроницаемых терригенных пород.