ТЕРМОСТОЙКИЙ КАТИОННЫЙ БУРОВОЙ РАСТВОР
HEAT-RESISTANT CATIONIC DRILLING MUD

Изобретение относится к буровым растворам на водной основе и может найти применение при бурении нефтяных и газовых скважин, преимущественно при бурении неустойчивых глинистых пород в терригенных и солевых отложениях в условиях воздействия высоких температур до 200°С.
Известен катионно-ингибирующий буровой раствор, который содержит, масс. %: глинопорошок 5-8; полиэлектролит ВПК-402 7-15; воду остальное (Патент РФ на изобретение №2492208 С2, кл. C09K 8/24, опубл. 10.09.2013). К недостаткам известного состава относятся низкие крепящие свойства бурового раствора и большой расход ВПК-402.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому раствору является катионноингибирующий буровой раствор, который включает, масс. %: глинопорошок 5-8; полидадмах 7-15; дополнительный ингибитор глин - хлорид калия 3-5; воду остальное (патент на изобретение РФ №2533478, кл. C09K 8/24, опубл. 20.11.2014). Недостаток известного состава заключается в низких крепящих свойствах бурового раствора и большом расходе ВПК-402.
Все буровые растворы с содержанием катионных полимеров обладают высокими ингибирующими свойствами, что позволяет снизить наработку раствора при проходке интервалов набухающих глин, однако из-за низких крепящих свойств существует вероятность возникновения потери целостности глинистых пород на стенках ствола скважины.
Техническим результатом, на достижение которого направлено данное изобретение, является повышение крепящих свойств раствора и сохранение устойчивости (целостности) стенок ствола скважины при одновременном увеличении ингибирующих свойств раствора.
Данный технический результат достигается за счет того, что состав бурового раствора, включающий воду, глинопорошок и полидадмах, в качестве дополнительного структурообразователя содержит катионный полимер Росфлок КФ, а для повышения ингибирующих и крепящих свойств в растворе используют неионный полимер поливинилпирролидон (ПВП), при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Глинопорошок
3-5;
Полидадмах
1,75-3,50;
Росфлок КФ
0,5-2;
Поливинилпирролидон
0,3-3,0
Вода
Остальное
Для стабилизации неустойчивых глинистых пород традиционно используют ингибирующие буровые растворы. Ингибирующие буровые растворы эффективны в набухающих глинах, однако при проходке интервалов глин с содержанием песков или неустойчивых ненабухающих глинистых пород - аргиллитов ингибирующих свойств раствора недостаточно для стабилизации стенок ствола скважин. Стабилизация ствола скважины достигается повышением крепящих свойств раствора путем увеличения сеток водородных связей и их заполнения гидрофобными компонентами.
В качестве стабилизатора - понизителя фильтрации, ингибитора глин применяются полидадмахи различных молекулярных масс и производителей.
Полидадмах представляет собой катионный полимер линейно-циклической структуры, получаемый путем радикальной полимеризации мономера диметилдиаллиламмонийхлорида, который, в свою очередь, изготавливается из аллилхлорида и диметиламина нагреванием в щелочной среде. ВПК-402 является частным случаем использования полидадмаха в растворе. Структурная формула ВПК-402 представлена из повторяющихся мономерных звеньев.
5
4
6
Полидадмахи выпускаются в виде однородной по консистенции жидкости, без посторонних включений, от бесцветного до желтого цвета, различной концентрации или в сухом порошкообразном виде. Молекулярная масса полидадмахов колеблется в широком диапазоне и в среднем составляет примерно 3*10. В товарном продукте молекулярная масса ВПК-402 может изменяться в пределах от 10 до 10 и более. Полидадмахи по параметрам токсичности относятся к 4 классу опасности - малоопасным химическим веществам по ГОСТ 12.1.007-76. Срок хранения полидадмахов для буровых растворов практически не ограничен.
Росфлок КФ - высокомолекулярный полиакриламид со степенью катионности 50-95%, эффективный эмульсионный катионный флокулянт, применяемый для очистки буровых растворов любых систем и оборотной воды от минерало-органических составляющих и для обезвоживания осадка хозяйственно-бытовых стоков на всех типах оборудования (центрифуги, фильтрпрессы, флотаторы). Росфлок КФ представляет собой эмульсию от белого до бежевого цвета. Росфлок КФ по параметрам токсичности относится к 4 классу опасности - малоопасным химическим веществам по ГОСТ 12.1.007-76. Выпускается Росфлок КФ по ТУ 2458-006-22361394-2004 Волжским заводом ООО НПП «КФ». Срок хранения Росфлок КФ для буровых растворов практически не ограничен.
Поливинилпирролидон (ПВП) представляет с собой неионный полимер, растворимый в воде и других полярных растворителях. В сухом виде поливинилпирролидон имеет вид белого или светло-желтого слоеного гигроскопичного порошка. В сухом виде ПВП выпускается различными зарубежными фирмами с разными молекулярными массами.
6
9
Молекулярная формула поливинилпирролидона - (CHNO))n
3
Молекулярная масса ПВП колеблется от 2500 до 2500000, плотность порошка - 1,2 г/см, температура плавления - 150-180°. ПВП выпускается ООО «Оргполимерсинтез СПб» в жидком виде 12%-ной концентрации по ТУ 2492-001-46270704-2001 или по ТУ 9365-001-13802623-2003 под названиями Полидон-А и Конкрепол-ВЦ соответственно. По влиянию на буровые растворы Полидон-А и Конкрепол-ВЦ не отличаются. Срок хранения ПВП для буровых растворов практически не ограничен. Повышение крепящих свойств раствора обеспечивает поливинилпирролидон за счет увеличения водородных сеток между частицами неустойчивой породы. Кроме того применение ПВП повышает ингибирующие свойства предлагаемого раствора. Дополнительное повышение крепящих свойств раствора производится путем ввода углеводородных компонентов, обеспечивающих заполнения ячеек водородных сеток.
2
Усиление ингибирующих свойств раствора осуществляют путем ввода известных электролитов: KCl, NaCl, CaCl, ацетата или формиата натрия.
Перевод на соленасыщенный (высокоминерализованный) катионный раствор производится вводом технической соли до насыщения.
При необходимости плотность бурового раствора повышают карбонатными утяжелителями (мел, мраморная крошка, доломит, сидерит), баритовым концентратом и галенитом.
Для проведения исследований крепящих свойств буровых растворов готовили образцы-таблетки цилиндрической формы из гидратационноактивных глин с содержанием 50% песка с диаметром сечения 22 мм и высотой 12 мм с заданным давлением на гидравлическом прессе. В качестве объекта, имитирующего набухающую глину, использовали немодифицированный бентонитовый глинопорошок марки ПБМВ, который выпускается в соответствии с ТУ 2164-004-0013836-2006 «Глинопорошок», а в качестве песка - фракции размером до 1 мм. Образцы гидратационноактивных глин в среде раствора выдерживали в течение 3 суток.
Изобретение поясняется с помощью таблиц 1-3, в которых приведены результаты исследований предлагаемого бурового раствора, и фигуры, на которой представлены фотографии (а-г) образцов гидратационноактивных глин с содержанием 50% песка после выдержки в течение 3 суток в среде раствора. В Таблице 1 приведены результаты исследований по влиянию ПВП на крепящие свойства раствора, т.е. сохранение целостности образца гидратационноактивной монтмориллонитовой глины с содержанием 50% песка в среде бурового раствора. При концентрации ПВП менее 0,3% происходит разрушение целостности образцов.
пл.
0
В таблицах 1-3 приняты следующие обозначения и сокращения: 3% ГР - 3%-ный глинистый раствор из глинопорошка ПБМВ; П-х - полидадмах, в экспериментах использовался полиэлектролит ВПК-402 - катионный полимер, товарный продукт выпускается в виде 35%-й концентрации, КФ - Росфлок КФ; ПВП - поливинилпирролидон, ПФ - показатель фильтрации за 30 мин.; ПФ* - показатель фильтрации при температуре 130°С и давлении ΔΡ=3,5 МПа; η - пластическая вязкость; τ - динамическое напряжение сдвига (ДНС); СНС1/10 - статическое напряжение сдвига за 1 и 10 минут соответственно. СНС характеризует в буровых растворах статическое напряжение сдвига при остановке циркуляции, которое не позволяет выбуренной породе (шламу) выпадать из раствора; ДНС - динамическое напряжение сдвига - параметр, отвечающий за качество выноса выбуренной породы.
Результаты проведенных экспериментов по исследованию целостности упомянутого образца глины показали, что при содержании полидадмаха - 1,75-3,50%, Росфлок КФ - 0,5-2,0% и ПВП - 0,3-3,0% соответственно образец сохраняет свою целостность (табл. 1, пп. 3-6, фиг. а-г).
2
Все растворы (табл. 2, пп. 1-9) содержат неорганические ингибиторы KCl, 3% NaCl и 1% CaCl. Уменьшение содержания полидадмаха, Росфлок КФ и ПВП менее 1,75%, 0,5% и 0,3% соответственно приводит к потере термостойкости предлагаемого раствора. После воздействия температуры происходит рост показателя фильтрации выше приемлемых значений (табл. 2, п. 3). Увеличение содержания полидадмаха, Росфлок КФ и ПВП более 3,5%, 2,0% и 3,0% соответственно неэффективно, так как приводит к перерасходу реагентов без улучшения показателей настоящего раствора (табл. 2, п. 9).
По результатам проведенных экспериментов, приведенных в таблицах 1 и 2 и на фиг. а) - г), можно видеть, что использование ПВП в сочетании с полидадмахом и Росфлок КФ обеспечивает термостойкость катионного раствора, управление реологическими и фильтрационными показателями и сохраняет устойчивость глинистых пород.
Ингибирующие свойства бурового раствора оценивались по количеству пропитанной жидкости в образцы-таблетки увлажненных пластичных глин, т.е. по относительному увеличению массы образца-таблетки при выдержке в буровом растворе в течение 7 суток (табл. 3).
Относительное увеличение массы образца Δm (в %) определяется по формуле:
2
1
1
Δm=(m-m)·100%/m
1
2
где m - масса исходного образца; m - масса образца, выдержанного 7 суток в испытуемой среде.
Из Таблицы 3 следует, что данный состав и концентрация компонентов обеспечивает раствору высокие ингибирующие свойства.
Таким образом, оптимальное соотношение компонентов в растворе следующее, мас.%:
Глинопорошок ПБМВ
3-5;
Полидадмах
1,75-3,50;
Росфлок КФ
0,5-2;
ПВП
0,3-3,0
Вода
Остальное
Предлагаемый термостойкий катионный буровой раствор готовят следующим образом. Сначала перемешивают воду с глинопорошком до его распускания, затем в глинистую суспензию последовательно добавляют полидадмах, Росфлок КФ и ПВП, и при необходимости неорганические ингибиторы, углеводороды и утяжелитель. Термостойкость раствора определяется термостойкостью ПВП и составляет 200°С. Высокая термостойкость этого раствора позволяет его применять в широком температурном диапазоне.