БУРОВОЙ РАСТВОР
DRILLING MUD

Изобретение относится к области бурения глубоких скважин, а именно к безглинистым биополимерным буровым растворам, используемым преимущественно при бурении горизонтальных и наклонных участков скважин.
Известен полимерглинистый буровой раствор (см. патент РФ №21003313, МПК 6 С09К 7/02, опубл. в БИ №3, 1998 г.), содержащий следующие ингредиенты, мас. %:
Глина
40-60
Полиакриламид
0,018
Кальцинированная сода
0,5
Вода
остальное
Как содержащий в большой доле глину, буровой раствор является устаревшим по характеристикам, имеет ряд недостатков: ухудшение условий работы долота и в результате - низкая механическая скорость бурения, высокая вязкость, приводящая к большим потерям давления при прокачивании раствора, сложность поддержания его свойств, их нестабильность, еще большее ухудшение свойств при переходе в состав раствора глины и солей, быстрый переход глины в состав бурового раствора и др.
Глина в состав бурового раствора переходит при разбуривании глиносодержащих пород при недостаточной степени ингибирования бурового раствора и неэффективной его очистке.
Известен буровой раствор (см. пат. РФ 2362793), содержащий, мас. %:
Полиакриламид ПАА
0,15-0,3
Карбоксиметилцеллюлозу КМЦ
0,3-0,5
Кальцинированную соду Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>
0,3-0,5
Биополимер «Сараксан» или «Сараксан Т»
0,1-0,2
Вода
остальное
Данный буровой раствор безглинистый, но также не относится к ингибирующим гидратацию, пептизацию и переход в состав бурового раствора разбуриваемых глин. Поэтому при бурении в глиносодержащих породах он быстро насыщается глиной и требует сложной, дорогостоящей физико-химической обработки. Это его недостаток.
Подобным, но более совершенным является безглинистый буровой раствор (см. пат РФ 2226540), содержащий, мас. %:
Полиакриламид
0,2-0,5
Ксантан
0,2-0,4
Сульфат алюминия
0,02-0,04
Карбонат кальция
2-5
Вода
остальное,
а также дополнительно раствор содержит хлорид калия в количестве 3-20 мас. %.
Благодаря наличию в составе безглинистого бурового раствора ксантана (биополимер-полисахарид) образуется объемная структура, при которой оказалось возможным значительно повысить динамическое и статическое напряжение сдвига бурового раствора, а следовательно, способность бурового раствора удерживать шлам при остановке циркуляции и выносить его в процессе циркуляции из скважины.
Содержащийся в буровом растворе хлорид калия сдерживает переход глины в состав бурового раствора. Но эффективности соли как ингибитора пептизации глины недостаточно. Поэтому и такой раствор имеет нестабильные свойства в процессе разбуривания глин.
3
Известен буровой раствор PRIMOSOL, содержащий, кг/м:
Биополимер-ксантановую. смолу
1,5-2
Полианионнную целлюлозу
2-4
Карбонат кальция
60-80
Хлорид калия или хлорид натрия
30-40
Полиакриламид
1,5-2
(см. Опыт реализации инженерных решений по буровым растворам при строительстве горизонтальных скважин на Баженовскую свиту Польяновской площади Красноленинского месторождения. С.А Черевко и др. Журнал Бурение и Нефть. 2016, №3, с. 4-7) - прототип.
Это безглинистый ингибированный буровой раствор, в котором хлориды калия или натрия препятствуют в некоторой, но не в полной степени, пептизации разбуриваемой глины, переходу ее в состав бурового раствора и отрицательному воздействию на свойства раствора. Но, как и в вышеназванных аналогах - безглинистых буровых растворах - в нем содержится в большой доле полиакриламид (ПАА) - высокомолекулярный полимер, активно вступающий во взаимодействие с глиной, адсорбирующий ее. При таком высоком содержании ПАА глина, попадающая в раствор даже в малых количествах, сшивает молекулы полимера (или полимер связывает частицы глины в единую систему), образуется полимер-глинистая структура. Вязкость и структурно-механические свойства бурового раствора возрастают выше допустимых значений. Поэтому требуются частые дополнительные физико-химические обработки бурового раствора, его высококачественная, не всегда достижимая на практике, очистка, а значит, - дополнительные расходы.
Технический результат заявляемого изобретения - обеспечение стабильности значений показателей реологических свойств бурового раствора, характеризующих его выносящую способность и влияющих на потери давления при его прокачивании, при попадании в буровой раствор глины.
Буровой раствор, особенно используемый при бурении горизонтальных и наклонных участков скважин, для обеспечения необходимой выносящей способности (способности транспортировать выбуренную породу - шлам в заколонном пространстве скважины и удерживать шлам во взвешенном состоянии при остановке циркуляции) должен обладать способностью создавать структуру при низких скоростях сдвига или в покое. Эта способность оценивается косвенно такими реологическими показателями, как динамическое напряжение сдвига τ при использовании реологической модели Шведова - Бингама или показателя нелинейности n при использовании реологической модели Оствальда. Последняя из названных моделей более адекватно описывает поведение безглинистых полимерных буровых растворов.
На величину потерь давления при прокачивании бурового раствора, в первую очередь, влияют значения таких его реологических показателей, как пластическая вязкость η (модель Шведова - Бингама) и коэффициент консистенции К (модель Оствальда).
Оптимизация реологических свойств бурового раствора подразумевает повышение до некоторого заданного уровня τ и минимальных значений η, К и n (принятые здесь обозначения использованы в таблице).
Заявляемое изобретение позволяет сохранять на близком к оптимальным уровням значения реологических показателей бурового раствора при попадании в него глины.
Технический результат достигается тем, что буровой раствор содержит, мас. %:
Полиакриламид АК 631 марки А 930
0,05
Крахмальный реагент для бурения «БурС»
1-3
Биополимер Сараксан
0,4-0,6
Нитрилотриметилфосфоновую кислоту НТФ
0,05
Карбонат кальция
6-8
Хлорид калия
3-6
Вода
остальное
Заявленный состав бурового раствора обеспечивает ему оптимальные - приемлемые технологические (реологические и фильтрационные) свойства.
Образцы буровых растворов готовили следующим образом. Заранее готовили водные растворы полимеров: ПАА, полианионной целюллозы (ПАЦ), Сараксана, БурС. Кальцинированную соду, НТФ, соли и карбонат кальция (молотый мрамор) при приготовлении образцов использовали в сухом виде. Смешивали реагенты, их растворы и добавки в заданном соотношении. Глину добавляли в готовые составы в виде свежеприготовленной глинистой пасты. При приготовлении заявленных составов их щелочность поддерживали в пределах 7-8 добавлением НТФ. После приготовления образцов их прогревали в автоклавах при температуре 80°С в течение 16 часов. Затем замеряли реологические показатели на ротационном вискозиметре Fann 35SA, показатель фильтрации - на приборе ВМ-6 в комнатных условиях.
Составы, подвергшиеся испытанию, и полученные данные приведены в таблице, где в составах буровых растворов не указана вода. Она составляла остальную часть. Составы под №№1-4 - прототип. Составы под №№5 и 10 содержат ингредиенты в долях за пределами заявляемых и имеют неприемлемые значения показателей свойств.
Опыты показали, что предлагаемые составы буровых растворов, имеющие изначально приемлемые по значению показатели реологических и фильтрационных свойств, не изменяют их существенно при попадании в буровой раствор глины в доле до 3% масс. В то же время попадание глины в буровой раствор-прототип существенно ухудшает его реологические свойства. При вводе в заявляемый буровой раствор глины более чем 3% масс. стабильность показателей свойств раствора нарушается.
Полученный эффект не был ожидаемым. Видимо, он результат комплексного взаимодействия таких компонентов бурового раствора, как ПАА, БурС, НТФ и соли с попавшей в раствор глиной. Предположительно полученный эффект можно обьяснить тем, что при малых концентрациях ПАА именно выбранного качества (среднемолекулярный с низкой степенью гидролиза) в буровом растворе при попадании в раствор глины не возникает сплошная полимер-глинистая структура. Образуются только отдельные полимер-глинистые комплексы, замкнутые сами на себя, электрически нейтральные, а поэтому не взаимодействующие друг с другом и не создающие единую структуру и, как следствие, существенно не загущающие раствор. Иными словами, при малых концентрациях ПАА выводит глину как структурообразователь из активного состояния. Получению указанного эффекта способствуют: а) замена понизителя фильтрации ПАЦ на крахмальный реагент для бурения «БурС», молекулы которого имеют сравнительно значительно меньшую молекулярную массу, адсорбционно неактивны, а поэтому не взаимодействуют с глиной; б) фосфоновый комплексон НТФ, который за счет прочных хелатных связей нейтрализует заряды на поверхности глинистых частиц, делает их неактивными, а за счет снижения щелочности раствора создает благоприятные условия для работы ПАА; в) соли, которые вытесняют гидратные и создают сольватные оболочки вокруг частиц глины и тем самым также помогают полиакиламиду связывать глину в замкнутые разрозненные инертные комплексы. Таким образом, в буровом растворе реализуется сложный механизм нейтрализации глины.
В опытах использовали:
Полиакриламид среднемолекулярный с низкой степенью гидролиза АК 631 А марки 930 производства ООО «Акрипол», г. Саратов.
Ксантановый биополимер Сараксан производства ОАО «Биохимия», г. Саранск.
Крахмальный реагент для бурения «БурС» производства ООО «БурениеСервис»-ЗАО «Амилко», г. Милерово.
Фосфоновый комплексон НТФ производства ОАО «Химпром», г. Новочебоксарск.
Глину-отобранный при бурении скважины на Федоровском месторождении в Западной Сибири глинистый шлам, высушенный и затем размолотый.
Хлорид калия мелкий белый производства ОАО «Уралкалий», г. Березники.
В качестве карбоната кальция применяли молотый мрамор производства ООО «Минералресурс», г. Екатеринбург.
Проведя обзор патентов и технической литературы с целью определения технического уровня и новизны, авторы не обнаружили информацию о буровых растворах, характеризующихся заявленной совокупностью признаков. Следовательно, по мнению авторов, предложение ново.
Опыты показали неожиданно высокие положительные результаты, в то время как с прототипом получен отрицательный результат. Реализация изобретения не требует каких-либо новых средств и технологий.