АЛЮМОГИПСОКАЛИЕВЫЙ БУРОВОЙ РАСТВОР И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
ALUM-GYPSUM-POTASSIUM DRILL MUD AND METHOD OF ITS PRODUCTION

Изобретение относится к области нефтехимии, производству ингибированных систем буровых растворов, используемых при бурении нефтяных и газовых скважин, а именно ингибирующего алюмогипсокалиевого бурового раствора и способу его получения.
В практике бурения применяют буровые растворы на водной (техническая вода, растворы солей и гидрогеля, полимерные, полимер-глинистые и глинистые растворы), углеводородной (известково-битумный раствор, инвертная эмульсия) и аэрированных основах, (см. Википедия - Интернет-энциклопедия
http://m.wikipedia.org/wiki/%C1%F3%F0%EE%E2%EE%E9%F0%E0%F1% F2%E2%EE%F0, 10.01.2012).
При бурении в хемогенных отложениях применяют соленасыщенные глинистые растворы, гидрогели, в случае возможного осыпания и оползней стенок скважины - ингибированные растворы, при воздействии высоких температур - термостойкие глинистые растворы и растворы на углеводородной основе, которые эффективны также при вскрытии продуктивных пластов и при разбуривании терригенных и хемогенных неустойчивых пород.
При бурении в условиях, характеризующихся аномально высокими давлениями, применяют утяжеленные буровые растворы, в неосложненных условиях - техническую воду, полимерные безглинистые и полимер-глинистые растворы с низким содержанием твердой фазы (см. http://www.mramor-m.ru/informatsionnie-stati/burovie-rastvori-klassifikatsiya).
Техническая вода - наиболее доступная и дешевая промывочная жидкость. Имея малую вязкость, она легко прокачивается, хорошо удаляет шлам с забоя скважины и лучше, чем другие жидкости, охлаждает долото.
Однако она плохо удерживает частицы выбуренной породы (особенно при прекращении циркуляции), не образует упрочняющей корки на стенке скважины, хорошо поглощается низконапорными пластами, вызывает набухание глинистых пород, ухудшает проницаемость коллекторов нефти и газа.
Естественным буровым раствором называют водную суспензию, образующуюся в скважине в результате диспергирования шлама горных пород, разбуриваемых на воде. Основное достоинство применения естественных буровых растворов состоит в значительном сокращении потребности в привозных материалах на их приготовление и обработку, что ведет к удешевлению растворов. Однако их качество и свойства зависят от минералогического состава и природы разбуриваемых глин, способа и режима бурения, типа породоразрушающего инструмента. Нередко в них велико содержание абразивных частиц. Поэтому естественные буровые растворы применяют в тех случаях, когда по геолого-стратиграфическим условиям не требуется высокое качество.
Глинистые буровые растворы получили наибольшее распространение при бурении скважин. Для бурового дела наибольший интерес представляют три группы глинистых минералов: бентонитовые (монтмориллонит, бейделлит, нонтроиит, сапонит и др.), каолиновые (каолинит, галлуазит, накрит и др.) и гидрослюдистые (иллит, бравиазит и др.). Наилучшим качеством с точки зрения приготовления бурового раствора обладают монтмориллонит и другие бентонитовые минералы. Глинистые растворы глинизируют стенки скважины, образуя тонкую плотную корку, которая препятствует проникновению фильтрата в пласты. Их плотность и вязкость таковы, что растворы удерживают шлам разбуренной породы даже в покое, предотвращая его оседание на забой при перерывах в промывке. Утяжеленные глинистые растворы, создавая большое противодавление на пласты, предупреждают проникновение пластовых вод, нефти и газа в скважину и открытое фонтанирование при бурении. Однако по этим же причинам затруднено отделение частиц породы в циркуляционной системе бурового раствора.
Применяются также другие буровые растворы на водной основе: малоглинистые (для бурения верхней толщи выветрелых и трещиноватых горных пород), соленасыщенные (при бурении в мощных толщах соленосных пород), ингибированные (обработанные химреагентами для предупреждения набухания разбуриваемых пород и чрезмерного обогащения раствора твердой фазой) и т.д.
2
2
К неглинистым относятся буровые растворы, приготовленные без использования глины. Безглинистый буровой раствор с конденсированной твердой фазой готовится на водной основе. Дисперсная фаза в нем получается химическим путем, в результате взаимодействия находящихся в растворе ионов магния со щелочью NaOH или Ca(OH). Химическая реакция приводит к образованию в растворе микроскопических частиц гидрооксида магния Mg(OH). Раствор приобретает гелеобразную консистенцию и после химической обработки превращается в седиментационно устойчивую систему. Такой раствор сохраняет свои структурно-механические свойства при любой минерализации. Поэтому его применяют в случаях, когда требуется обеспечить высокую устойчивость стенок скважины, но обеспечить контроль и регулирование минерализации раствора сложно.
Известно применение для вскрытия продуктивных пластов и бурения оценочных скважин растворов на нефтяной основе (РНО) и известково-битумных растворов (ИБР). РНО и ИБР имеют в составе дизельное топливо, высокоокисленный битум, синтетическую жирную кислоту (СЖК), каустическую соду (NaOH), поверхностно-активные вещества типа сульфонол, СМАД и др. Отличие их заключается в том, что ЦБР содержит активную известь [Рязанов А.Я. Справочник по буровым растворам. - М.: Недра, 1979, с.54].
3
Недостатком данных растворов являются большие затраты времени на операции, связанные с разогревом и растворением битума в дизельном топливе. Как показывает практика, на приготовление раствора на углеводородной основе (РУО) с использованием высокоокисленного битума в объеме 150 м на скважинах затрачивается 10-12 суток. Из этого времени около 80% расходуется на растворение битума.
Известен раствор [А.с. СССР 1516486 А1, С09K 7/06, 1989], включающий нефть или дизельное топливо, органофильный бентонит на основе алкилбензилдиметиламмоний хлорида, шинный регенерат, получаемый термическим методом при восстановлении автомобильных покрышек, барит. Ингредиенты взяты в следующем соотношении, мас.%:
Нефть или дизельное топливо - 54,0-56,0
Органофильный бентонит на основе
алкилбензилдиметиламмоний хлорида - 6,5-7,0
Шинный регенерат, получаемый термическим методом при восстановлении автомобильных покрышек - 3,0-5,0
4
Барит ВаSO - остальное.
Данный раствор имеет следующие недостатки:
- растворение шинного регенерата в дизельном топливе трудоемкий и технологически сложный процесс, так как операция растворения при одновременном перемешивании должна проводиться при температуре 250°С? и проводить эти операции в промысловых условиях очень трудно;
- органофильная глина очень дорогой реагент.
Описан буровой раствор на углеводородной основе [А.с. СССР 1263705, С09K 7/06, 1986], содержащий, мас.%:
дизельное топливо 34-75,
синтетические жирные кислоты СЖК 0,5-3,0,
глинопорошок 1-10,
полиорганоалкоксисиланы и силоксаны 3-8,
каустическую соду 0,1-0,2,
утяжелитель - барит остальное.
Описан композиционный реагент для буровых растворов [RU 2186083 С2, 27.07.2002], обладающий многофункциональными свойствами: термостойкостью, стойкостью к поливалентным катионам понизителя фильтрации, в то же время улучшающий его смазочные и противоизносные свойства. Композиционный реагент для буровых растворов включает этилсиликонат натрия ГКЖ-10, дополнительно содержит карбоксиметилоксиэтилцеллюлозу (КМОЭЦ) при следующем соотношении компонентов, мас.%: КМОЭЦ 50-65; ГКЖ-10 30-50.
В [RU 2424269, 20.07.2011] предложен эмульсионный раствор на углеводородной основе, обеспечивающий снижение диспергируемости выбуренного глинистого шлама и улучшение фильтрационно-емкостных характеристик продуктивного пласта при первичном вскрытии и глушении скважин. Эмульсионный раствор на углеводородной основе содержит, мас.%:
дизельное топливо 14,98-84,55,
органофильный бентонит 0,39÷4,26,
«Эмульгатор МР» 0,83-2,38,
«Гидрофобизатор АБР» 0,015-0,73,
минерализованную хлоридом калия, или натрия, или кальция водную фазу 1,5-36,73,
20%-ный раствор полиизобутилена с молекулярной массой 20000 в индустриальном масле И-20А 0,33-3,81,
окись кальция 0,39-2,38,
минеральный наполнитель - мел или барит остальное.
Описан буровой раствор для вскрытия продуктивных пластов [RU 2233860 С2, 10.08.2004], содержащий акриловый полимер, коллоидный структурообразователь, кольматант и воду, содержит в качестве кольматанта резиновую крошку, модифицированную нефтью или ее производными при содержании: резиновая крошка 27%, нефть или ее производные 73%, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
акриловый полимер 0,6;
коллоидный структурообразователь 3;
указанная резиновая крошка 1;
вода - остальное.
Известен буровой раствор на водной основе [RU 2009147001 А, 27.06.2011], содержащий воду, бентонит и добавку, в качестве которой используют отходы производства моющих средств как высокоэффективный ПАВ при следующем массовом соотношении компонентов, мас.%:
Бентонит 5-15
Стабилизатор 0,5-1,5
Высокоэффективный ПАВ 0,1-0,5
Вода Остальное
Предложенный буровой раствор обеспечивает качественное вскрытие продуктивного пласта и сохранение его естественной проницаемости.
Для предупреждения аварий и осложнений, связанных с осыпями и обвалами неустойчивых глин, используют гетерогенные ингибирующие буровые растворы. Основными разновидностями ингибирующих буровых растворов являются известковые, гипсоизвестковые, хлоркалиевые, гипсокалиевые, хлоркальциевые, малосиликатные, алюмокалиевые (см. tsogu.ru>media/files/2009/12_02…2008-10-15.doc).
Алюминатные растворы - это буровые глинистые промывочные растворы из кальциевой глины, которые содержат ингибирующую добавку - высокощелочной алюминат натрия, стабилизированный лигносульфонатами. Алюминатные растворы бывают пресными и соленасыщенными. Пресные алюминатные растворы используют для разбуривания глинистых отложений в условиях невысоких забойных температур. В качестве резерва стабилизатора используют только сульфит-спиртовую барду (далее ССБ), применяемую совместно с алюминатом натрия. Алюминатные глинистые растворы (далее АлГР) обладают устойчивостью в широком диапазоне хлорнатриевой минерализации и небольшими показателями фильтрации.
Для приготовления алюминатного глинистого раствора используют черкасский немодифицированный бентонит или другую кальциевую глину. Преимущество АлГР, приготовленного из кальциевых глин, по сравнению с раствором из натриевых глин следующее: при равном расходе реагентов он имеет меньшие значения показателя фильтрации, вязкости и статического напряжения сдвига (далее СНС).
Порядок приготовления АлГР следующий: в воду, содержащую необходимое количество ССБ, добавляют глину, затем вводят алюминат натрия; в связи с недостаточным выпуском алюмината натрия возможна его замена алюминатом кальция, в качестве которого используют глиноземистый или гипсоглиноземистый цемент.
Известковые растворы представляют собой сложные многокомпонентные системы, включающие кроме глины и воды четыре обязательных реагента: известь, каустик, понизитель вязкости, защитный коллоид. В их состав также могут входить нефть или дизельное топливо, утяжелитель и различные добавки специального назначения.
Известковые растворы используют при разбуривании высококоллоидных глинистых пород и аргиллитов. В результате применения известковых растворов повышается их глиноемкость, снижаются пептизация выбуренной глины, набухание, вспучивание сланцев, слагающих стенки скважины, уменьшается опасность прихватов.
В отличие от алюминатных, известковые растворы ограниченно солестойки (до 5% по NaCl).
Основной недостаток известковых растворов - невысокая термостойкость (100-120°С).
Безглинистые солестойкие растворы (далее БСК) состоят из бурого угля, каустической соды, воды, гидроксида поливалентного металла;
применяются при проводке скважин, осложненных наличием хемогенных отложений, осыпающихся и склонных к обвалам терригенных пород.
Крепящее действие основано на образовании в определенных температурных условиях нерастворимых в воде цементирующих веществ - гидросиликатов и гидроалюминатов двухвалентных металлов. При отсутствии двухвалентных катионов в буровом растворе и разбуриваемых породах происходит только химическое разрушение щелочью глинистых минералов без связывания продуктов разрушения в нерастворимые соединения. При отсутствии каустической соды и наличии только ионов кальция буровой раствор превращается в разновидность кальциевого раствора.
2
3
Крепящий эффект раствора БСК лучше проявляется при достаточно высокой концентрации каустической соды (не менее 0,2%) и избытке в жидкости нерастворенного гидроксида двухвалентного металла - Са(ОН), Ва(ОН) и др.
Недостатки этих растворов - низкая термостойкость и высокая щелочность. Так как при использовании данного раствора не исключен переход в него выбуренной породы, то возможно сильное загустевание и даже затвердение раствора.
Кальциевые растворы - ингибирующие глинистые промывочные растворы, содержащие кроме глины, воды, нефти и утяжелителя, реагентов-понизителей вязкости, фильтрации и регуляторов щелочности специальные вещества - носители ионов кальция.
Действие их заключается в основном в предотвращении перехода выбуренной глины в натриевую форму, в переводе натриевой глины в кальциевую, в результате чего снижаются гидратация и набухание сланцев.
Гипсоизвестковый раствор - ингибирующий кальциевый раствор, содержащий в качестве носителя ионов кальция гипс и гидроксид кальция.
3
Добавка гипса (алебастра) в раствор составляет 20-25 кг/м. Содержание растворимого кальция зависит от качества гипса, используемых лигносульфонатов, рН бурового раствора и может быть в пределах 70-3000 мг/л.
Гипсовые растворы предназначены для разбуривания высококоллоидных глинистых пород в условиях высоких забойных температур (до 160°С).
Хлоркальциевый раствор (далее ХКР) - ингибирующий кальциевый раствор, содержащий в качестве ингибирующей добавки хлорид кальция.
Установлено, что оптимальное содержание катионов кальция, при котором достигается ингибирование, составляет 3000-5000 мг/л. Хлоркальциевые растворы наиболее эффективны при разбуривании аргиллитов. Присутствие в фильтрате бурового раствора ионов кальция способствует значительному сокращению осыпей и обвалов при разбуривании неустойчивых аргиллитоподобных отложений.
Вследствие отсутствия эффективных кальциестойких реагентов термостойкость его ограничена (100°С).
Калиевые буровые растворы содержат в качестве ингибирующих электролитов соединения калия. Действие калиевых растворов обусловлено насыщением ионами калия глинистых минералов. Наиболее быстрое насыщение глин ионами калия происходит при рН 9-10.
Калиевые растворы эффективны при бурении неустойчивых глинисто-аргиллитовых отложений и глинистых сланцев. Существует ряд разновидностей калиевых растворов, отличающихся составом и некоторыми свойствами: хлоркалиевые растворы, калиево-гипсовые растворы, калиевый глинистый буровой раствор, ингибирущий калиевый раствор на основе лигносульфонатов, высокоингибирующий калиевый раствор на основе гуматов (ВИКР), ингибирующий калиевый буровой раствор ИКСИЛ, высокоингибирующий буровой раствор ИКГЛИК.
Среди ингибирующих буровых растворов особое место занимают растворы, обработанные солями трехвалентных металлов, одним из наиболее эффективных среди них является алюмокалиевый раствор. В качестве ингибирующей добавки он содержит алюмокалиевые квасцы, гидроксид калия и бихромат натрия; рН таких растворов поддерживается близким к нейтральному. Ингибирующее действие этого раствора выше, он может использоваться и для разбуривания увлажненных глинистых отложений (tsogu.ru>media/files/2009/12_02…2008-10.15.doc).
Наиболее близким по составу к заявляемому является буровой раствор с использованием в качестве ингибирующей добавки алюмокалиевых квасцов
(cм.http://www.mirrico.ru/press/articles/index.php?ELEMENT ID=1470).
3
Образующаяся в растворе гидроокись алюминия, адсорбируясь на выбуренной породе, препятствует ее переходу в буровой раствор. Попадая в трещины и поры, гидроокись алюминия закупоривает их, уменьшая обводнение пластов и укрепляя стенки скважины. Кроме того, ингибирующий эффект достигается вследствие блокирования катионами калия гексагональной структуры глинистых минералов и уменьшения их гидратации. В качестве носителей катионов кальция использован гипс и гидроокись кальция (известь гашеная). Добавка гипса составляет 20-25 кг/м. Содержание катионов кальция зависит от качества гипса, рН бурового раствора и составляет 700-3000 мг/л. При этом катионы кальция уменьшают гидратацию глинистых минералов, а известь, адсорбируясь на частицах выбуренной породы, снижает их активность. Для поддержания рН раствора на уровне 8,5-9,5 добавляют KОН и известь.
Все вышеуказанные буровые растворы, как и прототип, кроме отмеченных недостатков, недостаточно эффективны при бурении таких типов горных пород, как песчаники, доломиты с пропластками глин, аргиллитов, мергелей, алевролитов, характеризующихся неустойчивостью вследствие поглощения разбуриваемыми породами буровых растворов, набухания глин и возникновения осыпей, обвалов, сопровождающихся прихватами бурильного инструмента.
Задачей изобретения является создание нового бурового раствора, способствующего строительству ствола скважин на неустойчивых грунтах, сложенных из глинисто-аргиллитовых отложений, песчаников и карбонатных пород с включениями гипсов и ангидритов, без осложнений в виде осыпей и обвалов и аварий, что приведет к значительному снижению материальных затрат при строительстве ствола скважины.
Технический результат изобретения заключается в обеспечении высоких ингибирующих и низких диспергирующих свойств предлагаемого бурового раствора, низкой водоотдачи, предотвращающих осыпи и обвалы, снижения увлажняющейся способности раствора.
3
3
Задача решается составом бурового раствора, в котором, как и в прототипе, в качестве ингибирующей добавки взяты алюмокалиевые квасцы, а также гипс и гидроокись кальция (известь гашеная), которая использована, кроме того, в качестве регулятора рН совместно с гидроокисью калия. Отличием от прототипа является следующее. В качестве алюмокалиевых квасцов взят AlgypoDS-103, дополнительно введены структурообразователь, регулятор реологии, регулятор фильтрации, кольматант-утяжелитель. В качестве структурообразователя взят компонент Основа Медиум Б, в качестве регулятора реологии Поликсан, Оснопак ВО, работающие совместно друг с другом, в качестве регулятора фильтрации Оснопак НО, Амилор 122 и Оснопак ВО, в качестве кольматанта-утяжелителя - УМС-100 (СаСО), который одновременно увеличивает плотность бурового раствора и выполняет функцию кольматанта. рН раствора составляет 9,0-10,5, плотность 1060-1250 кг/м, условная вязкость 35-75 сек, при этом общий качественный и количественный состав бурового раствора представлен следующими компонентами, в кг на кубический метр:
Структурообразователь Основа Медиум Б
10-40
KОН
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
2-5
гашеная
Ингибитор набухания Гипс
15-18
Алюмокалиевые квасцы AlgypoDS-103
1,0-3,0
Кольматант утяжелитель УМС-100 (СаСО<sub>3</sub>)
40,0-200
Техническая вода
Остальное до куба
Дополнительно можно ввести другие компоненты в буровой раствор в качестве бактерицидной добавки, смазочной добавки, поглотителя сероводорода, диспергирующего агента, пеногасителя и пр.
Задача решается также способом получения заявляемого бурового раствора, включающего предварительное полное растворение перемешиванием в технической воде и последующее введение в воду в порядке указания (следования) следующих компонентов:
3
Структурообразователь Основа Медиум Б 10-40 кг/м;
3
Регулятор реологии Поликсан 1,5-4,0 кг/м с интенсивностью ввода 25 кг за 5-10 мин;
3
Оснопак ВО 0,5-1,0 кг/м с интенсивностью ввода 25 кг за 5-10 мин;
3
Оснопак НО 0,8-3,0 кг/м с интенсивностью ввода 25 кг за 5-10 мин;
3
Амилор Р-122 12-30 кг/м с интенсивностью ввода 25 кг за 5-10 мин;
3
Известь, разведенная небольшим количеством воды (в виде «известкового молока»), в количестве 2-5 кг/м (для поддержания рН раствора в диапазоне 9-10,5);
3
Гипс, разведенный небольшим количеством воды, в количестве 15-18 кг/м, с доведением рН бурового раствора до 9-10,5;
3
Алюмокалиевые квасцы AlgypoDS-103, в количестве 1-3 кг/м, с контролем рН бурового раствора и доведением его до значения 9-10,5, после их введения рН общего раствора доводят до 9-10,5 добавлением извести гашеной в пределах указанного количества;
3
Кольматант УМС в количестве, достаточном до доведения плотности бурового раствора до значения 1060-1250 кг/м.
Сходные структурообразователи подобного рода есть и в других буровых растворах, у других производителей, но их использование приведет к тому, что свойства раствора могут измениться, что в свою очередь вызовет изменение дозировок как самой добавки, так и других компонентов раствора. Основа Медиум Б в указанном количестве позволит обеспечить совместно с другими компонентами требуемые свойства получаемого раствора.
Известно использование компонентов, отвечающих за реологические свойства раствора, однако совместное использование в качестве регуляторов реологии Поликсана, Оснопака ВО гарантирует конечный результат. По отдельности нужных реологических свойств не получить.
Регуляторы фильтрации Амилор Р-122, Оснопак НО, Оснопак ВО совместно дают хороший результат. При этом Оснопак ВО является одновременно и структурообразователем, и регулятором фильтрации.
В процессе получения бурового раствора указанного состава были использованы следующие компоненты:
Название компонента
Наименование технической документации
Производитель
Химическая формула
функция
Алюмокалиевые квасцы AlgypoDS-103
ТУ 2458-031-63121839-2011
000«Промышленная химия»
сложный состав
Ингибитор набухания глин
Амилор Р-122
ТУ 2458-002-82330939-2009
000 «Миррико комплексное обеспечение»
Модифициро- ванный крахмал
Регулятор фильтрации бурового раствора
Гипс AlgypoDS-2
ГОСТ 125-79
000«Аракчинский гипс»
Сульфат кальция
Ингибитор набухания глин
Известь гашеная AlgypoDS-1
ГОСТ 9262-77
ОАО«Стройматериалы»
Кальция гидроокись
Регулятор рН Ингибитор набухания глин
Основа Медиум Б
ТУ 2458-016-82330939-2009
000 «Миррико комплексное обеспечение»
сложный состав
Структуро образователь
Оснопак ВО
ТУ 2231-011-63121839-2010
000«Промышленная химия»
Карбоксиме-тилцеллюлоза
Регулятор реологии и фильтрации
Оснопак НО
ТУ 2231-011-63121839-2010
000«Промышленная химия»
Карбоксиме-тилцеллюлоза
Регулятор фильтрации бурового раствора
Поликсан
ТУ 2458-017-82330939-2009
000 «Миррико комплексное обеспечение»
Полисахарид В
Регулятор реологии
УМС
ТУ 2458-012-82330939-2009
000 «Миррико комплексное обеспечение»
Карбонат кальция
Кольматант- утяжелитель
Техническая вода, используемая при бурении, имела следующие характеристики:
Параметр
Содержание
Общая жесткость, мг/л, не более
200
Соленость, мг/л
500
рН
6-8
При использовании такого состава раствора, полученного указанным способом, происходят следующие процессы:
1) в растворе образуется гидроокись алюминия, которая, адсорбируясь на выбуренной породе, препятствует ее переходу в буровой раствор. Попадая в трещины и поры, гидроокись алюминия закупоривает их, снижая обводнение пластов и укрепляя стенки скважины; известно использование алюмокалиевых квасцов; катионы калия блокируют гексагональную структуру глинистых минералов и снижают ее гидратацию; известно блокирование катионами калия структуры глинистых материалов
2) известь адсорбируется на частицах выбуренной породы, снижая их активность и увеличивая глиноемкость раствора.
Тем самым укрепляются стенки скважины, уменьшая их обвалы и разрушение, что свидетельствует об эффективности бурового раствора. Подобранный баланс реагентов позволяет поддерживать содержание кальция и щелочности на определенном уровне, и в растворе происходит образование комплексных гидроксосульфоалюминатов, которые как раз и определяют укрепляющие свойства бурового раствора по отношению к стенкам скважины.
В случае применения гипсовых типов растворов в присутствии растворенного ангидрита происходит «вымывание» магниевой составляющей доломита с последующим его разрушением, что может вызвать кавернообразование и неустойчивость стенок скважины. При использовании заявленного раствора подобных негативных процессов можно избежать благодаря наличию катионов алюминия, точнее, алюминатов, как в растворенной, так и в связанной, в виде алюмината кальция форме. Наличие алюминия позволяет образовывать в стенках скважины гидросульфоалюминаты кальция/магния и гидрокарбоалюминаты кальция/магния, которые образуют пространственную структуру внутри ангидрита/доломита, связывая при этом большое количество воды. Подобные процессы из уровня техники неизвестны и приводят к упрочнению стенки скважины, а также к уменьшению ее проницаемости. Кроме того, состав бурового раствора в связи с предъявляемыми к нему требованиями заказчиков очень сложный, и было трудно добиться баланса качественного и количественного состава, чтобы обеспечить требуемые свойства раствора и удовлетворить противоречивые требования заказчика. Этот баланс в заявляемом растворе обеспечен как самим составом, так и способом его получения, предписывающим определенную последовательность указанных выше операций.
Технология приготовления заявляемого бурового раствора заключается в следующем.
3
3
Для приготовления бурового раствора берут блок объемом 12-15 м, оборудованный перемешивателем, вакуумной гидроворонкой, работающей от центробежного насоса, и дозировочной емкостью объемом 0,7 -1,0 м, предназначенной для приготовления концентрированных жидких растворов из сухих химических реагентов для их добавления в буровой раствор.
3
В блок приготовления бурового раствора набирают пресной технической воды. Вводят компонент Основа Медиум Б из расчета 10-40 кг/м, перемешивают в течение 60-120 минут для более полного диспергирования глины. Затем в приготавливаемый раствор через гидроворонку вводят последовательно следующие компоненты в перечисленном ниже порядке с интенсивностью ввода каждого полимерного компонента 25 кг за 5-10 мин для предотвращения наличия включений в виде свернутых неразбившихся комков полимеров:
3
Поликсан из расчета 1,5-4,0 кг/м; ввод Поликсана контролируют по величине условной вязкости и динамическому напряжению сдвига (далее ДНС) приготавливаемого раствора;
3
Оснопак ВО из расчета 0,5-1,0 кг/м;
3
Оснопак НО из расчета 0,8-3,0 кг/м;
3
Амилор из расчета 12-30 кг/м,
при этом для улучшения диспергирования каждый из полимеров рекомендуется предварительно перемешать с нейтральной технической водой, подготовленной для приготовления бурового раствора с исходным значением рН 6,5-7,0 в отдельной емкости.
3
Далее в приготовленный раствор сначала в минимальном количестве 2 кг/м вводят известь в виде «известкового молока», для чего реагент разводят небольшим количеством воды, раствор перемешивают в течение 20-30 мин до полного растворения компонента.
3
В приготавливаемый раствор вводят гипс из расчета (15-18 кг/м), в виде водного высококонцентрированного раствора, для чего реагент разводят небольшим количеством воды, перемешивают раствор в течение 30 минут до полного растворения. Ввод гипса в раствор может привести к снижению рН, поэтому замеряют рН раствора и при необходимости регулируют его значение до 9-10,5 добавлением гашеной извести.
3
Далее в приготавливаемый раствор вводят алюмокалиевые квасцы в количестве 1-3 кг/м, после чего снова замеряют рН раствора, который может снизиться; при необходимости рН регулируют дополнительным вводом извести до значения 9-10,5, перемешивают раствор в течение 30 минут до полного растворения квасцов.
3
Вводят в раствор кольматант УМС-100, регулируя плотность раствора до значения 1060-1300 кг/м, перемешивают раствор в течение 10-15 минут для равномерного распределения утяжелителя по объему.
После этого замеряют параметры полученного бурового раствора и при необходимости проводят дообработку раствора соответствующими реагентами в указанном выше порядке для регулирования реологических параметров, фильтрационных свойств и т.п.
Реологические параметры регулируют вводом полимеров Поликсан и Оснопак ВО.
3
Медианный размер частиц (параметр d50) бурового раствора должен находиться в пределах 33÷100% от фактического или оцениваемого размера отверстий пор. Этот диапазон, равный 3:1, называемый «отношением кольматации», представляет собой наиболее эффективную смесь размеров частиц СаСО для быстрой кольматации песчаников коллектора.
Реологические, фильтрационные и ингибирующие свойства раствора оцениваются по стандартным методикам.
Параметры раствора замерялись согласно общепринятой буровыми компаниями книге Рязанова Я.А. «Энциклопедия по буровым растворам». Плотность определялась рычажными весами - плотномером, ВБР-1 - условная вязкость, пластическая вязкость, ДНС и СНС - на вискозиметре Farm или OFITE, статическое напряжение сдвига (СНС) - на приборе СНС-2, фильтрация - по ВМ-6 или по фильтр-прессу.
В Таблице 1 приведены конкретные составы примеров реализации буровых растворов. В Таблице 2 приведены параметры буровых растворов в соответствии с примерами составов из Таблицы 1.
Таким образом, как показывают примеры осуществления изобретения, заявляемый состав алюмогипсокалиевого бурового раствора AlgypoDS, полученный в соответствии с заявляемым способом, оптимально подходит для бурения следующих типов горных пород:
песчаники, известняки, доломиты с пропластками глин, аргиллитов, мергелей, алевролитов, характеризующиеся неустойчивостью вследствие набухания глин и осыпей аргиллитов и алевролитов; разбуривание их сопровождается осыпями, обвалами и поглощениями растворов, прихватами бурильного инструмента;
глины, поскольку разбуривание глин сопряжено с большими трудностями, вследствие их легкого перехода в раствор, увеличивающего содержание в нем твердой фазы; наибольшее влияние оказывает коллоидная составляющая разбуриваемых глин - буровые растворы должны обладать ингибирующими и недиспергирующими свойствами, а также низкой водоотдачей;
аргиллиты, алевролиты, глинистые известняки - эти породы, имеющие пластинчатое строение, характеризуются неустойчивостью, склонностью к осыпям и обвалам; буровые растворы, применяемые при их разбуривании, должны обладать ингибирующими и недиспергирующими свойствами. Водоотдача растворов должна быть минимальной, так как возможны осыпи по границам напластования.
Таблица 1
Состав бурового раствора
Состав раствора
Содержание, кг/м<sup>3</sup>
Прототип
Пример 1
Пример 2
Пример 3
Пример 4
Пример 5
Пример 6
Основа Медиум Б
-
10,0
20,0
20,0
30,0
20,0
40,0
KОН
0,03
0,05
0,2
0,25
0,3
0,25
0,3
Поликсан
-
2,0
2,5
2,5
1,5
2,5
4,0
Оснопак НО
-
0,8
1,0
1,0
2,0
1,0
3,0
Оснопак ВО
-
0,5
1,0
1,0
0,5
1,0
1,0
Амилор Р-122
-
12,0
15,0
15,0
15,0
15,0
30,0
Алюмокалиевые квасцы
1,0
-AlgypoDS-103
-
1,0
1,5
3,0
2,0
3,0
3,0
Известь гашеная
0,7-3 кг/м<sup>3</sup>
2,0
2,0
2,0
3,0
2,0
5,0
Гипс
20-25
18,0
15,0
15,0
15,0
15,0
15,0
УМС-100
-
40,0
140
60
150
70
200
Тех. вода
Остальное до куба
Остальное до куба
Остальное до куба
Остальное до куба
Остальное до куба
Остальное до куба
Остальное до куба
Таблица 2
Параметры бурового раствора
Наименование параметров
Значения параметров
Прототип
Пример 1
Пример 2
Пример 3
Пример 4
Пример 5
Пример 6
Тип раствора
На основе алюмокалиевых квасцов
Algypo
Algypo
Algypo
Algypo
Algypo
Algypo
Плотность, кг/м<sup>3</sup>
1050
1060
1110
1060
1140
1070
1250
Условная вязкость, с
34
35
43
69
61
51
75
ПВ, мПа·с
14,5
15,0
16,1
16,9
22,4
18,2
25,0
ДНС, дПа
70,4
75,0
96,5
160,8
106,2
112,9
182,5
СНС 10 с, дПа
18,0
20,5
30,1
46,6
29,1
29,6
47,4
СНС 10 мин, дПа
20,3
22,5
39,2
60,9
39,3
57,2
104,6
Фильтрация, АНИ/ВМ-6
7,5/6,5
7,5/6
6/5
5,5/5
7/5
6,4/5
5/4,5
Са++, мг/л
1100
1230
1240
1350
1280
1240
1440
рН
8,5-9,5
9,0
10,5
9,0
10,0
9,5
10,5
Корка, мм
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
1,5
Песок, % об.
1,0
1,0
1,0
1.0
1,0
1,0
1,0
Примечание.
ПВ - пластическая вязкость
ДНС - динамическое напряжение сдвига
СНС - статическое напряжение сдвига
АНИ - значение фильтрации по американскому нефтяному институту, измеряется по фильтр-прессу
ВМ-6 - значение фильтрации по прибору ВМ-6.