Способ обработки буровых растворов для повышения их микробиологической устойчивости
METHOD FOR TREATING DRILLING FLUIDS TO IMPROVE THEIR MICROBIOLOGICAL STABILITY

Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин и позволяет решить проблему микробиологической деструкции входящих в состав буровых растворов полимерных реагентов за счет предлагаемого способа химической обработки растворов комплексом добавок бактерицидного действия.
Химические реагенты органической природы, применяемые для регулирования свойств буровых растворов на водной основе, подвергаются биодеструкции, которая обусловлена ферментативной активностью отдельных групп микроорганизмов, использующих реагенты в качестве источника углерода и энергии. Особенно подвержены микробиологической деструкции реагенты на основе полисахаридов, включающие в себя карбоксиметилцеллюлозу (КМЦ) и другие эфиры целлюлозы, все виды крахмала, ксантановую и гуаровую камеди и т.д. Низкая микробиологическая устойчивость буровых растворов на водной основе, приводящая к их бактериальному разложению и ухудшению показателей свойств в течение достаточно короткого времени хранения, не позволяет повторно использовать данный вид технологических жидкостей на нескольких последовательно бурящихся скважинах.
Наибольшее повреждающее действие на химические реагенты, входящие в состав бурового раствора, оказывают следующие группы микроорганизмов: сульфатредуцирующие бактерии, целлюлозоразрушающие и углеводородокисляющие микроорганизмы. Углеводородкисляющие микроорганизмы разрушают вещества, содержащие алкильные радикалы, такие как ПАВ и смазочные добавки, целлюлозоразрушающие вызывают деградацию полигликанов и реагентов на их основе, сульфатредуцирующие бактерии выделяют сероводород. Все это приводит к нарушению технологических параметров бурового раствора и вызывает коррозию технологического оборудования.
Традиционным способом регулирования скорости деструкции технологических жидкостей, а именно замедления и предотвращения ферментативной и термоокислительной деструкции полисахаридных реагентов, является добавка специальных реагентов-микробиоцидов и ингибиторов-антиоксидантов. Для обработки буровых растворов на водной основе известно использование следующих микробиоцидов: альдегидов, четвертичных фосфониевых и аммониевых соединений, изотиазолонов, тионов и органических тиоцианатов.
Известен способ обработки буровых растворов бактерицидом, содержащим ионы серебра [Патент РФ 2197270]. Указанный способ не подходит для обработки больших объемов технологических жидкостей в связи с необходимостью применения метода электролиза с использованием серебряных электродов.
Известен способ обработки буровых растворов реагентом на основе полисахаридов, содержащий продукт взаимодействия пероксида водорода с карбамидом, или боратом, или натриевой солью кремниевой кислоты, вводимый в буровой раствор в количестве 0,01-0,04 мас. % [Патент РФ 2213760]. При предварительном вводе предлагаемого реагента в воду, которую используют для приготовления бурового раствора, происходит очистка воды от органических примесей и микроорганизмов за счет окисляющего и антисептического действия пероксидной составляющей предлагаемого реагента. Основным недостатком указанного способа является негативное влияние используемого в способе реагента на эффективность действия используемых в буровых растворах полимерных реагентов, а именно инициирование процесса деструкции макромолекул полимерных реагентов за счет разрушения гликозидных связей и окисления гидроксильных групп.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является способ обработки бурового раствора, содержащего реагенты, подверженные микробной деструкции [Патент РФ №2036216]. Способ предусматривает обработку бурового раствора тиазоном (3,5-диметилтетрагидро-1,3,5-тиадиазинтион) в количестве не менее 0,1% от массы бурового раствора. Тиазон является эффективным фунгицидом и нематоцидом, и широко применяется по указанному функциональному назначению в сельском хозяйстве.
Недостатком этого способа является относительно низкая эффективность тиазона в плане подавления жизнедеятельности сульфатредуцирующих и целлюлозоразрушающих микроорганизмов в среде буровых растворов, в том числе в связи с низкой растворимостью указанного соединения в водной среде.
Техническим результатом изобретения является повышение стабильности реологических и фильтрационных параметров буровых растворов на водной основе за счет увеличения микробиологической устойчивости с одновременным повышением их ингибирующих свойств.
Дополнительным техническим результатом изобретения является обеспечение возможности повторного использования буровых растворов на водной основе на нескольких последовательно бурящихся скважинах.
Указанный технический результат достигается предлагаемым способом обработки бурового раствора для повышения его микробиологической устойчивости, включающий ввод бактерицидной добавки, при этом новым является то, что в качестве бактерицидной добавки используют окисляющий биоцид, диссоциирующий в воде с образованием хлорноватистой кислоты, указанный биоцид вводят в дисперсионную среду бурового раствора - воду, выдерживают на время обеззараживания не менее чем на 2 часа, далее добавляют компоненты, предусмотренные рецептурой обрабатываемого бурового раствора, после этого в раствор дополнительно вводят поглотитель сероводорода, добавляют регулятор концентрации ионов водорода - гидроокись натрия и/или калия до достижения значения величины рН раствора не менее 9,5, после этого обрабатывают буровой раствор биостатом на основе изотиазолинонов, при этом реагенты обработки берут в следующем соотношении, % к массе бурового раствора:
указанный биоцид 0,03-0,06
поглотитель сероводорода 0,03-0,05
гидроокись натрия и/или калия 0,03-0,1
биостат на основе изотиазолинонов 0,1-0,3.
В качестве поглотителя сероводорода используют оксид цинка или оксид или карбонат железа.
Достижение указанного технического результата обеспечивается за счет следующего.
Предварительная обработка дисперсионной (водной) среды бурового раствора бактерицидной добавкой, в качестве которой используют окисляющий биоцид, диссоциирующий в воде с образованием хлорноватистой кислоты, позволяет очистить воду от присутствующей в ней микрофлоры и органических веществ. Механизм бактерицидного действия указанной бактерицидной добавки заключается в окислении веществ, входящих в состав клеточной стенки и протоплазмы микроорганизмов, что приводит к нарушению обмена веществ в клетке и их последующему отмиранию.
Одним из основных недостатков окисляющих бактерицидов является их разложение в водной среде и достаточно быстрая потеря во времени их окисляющей способности. В результате отсутствия длительного бактерицидного эффекта возрастает вероятность повторного загрязнения буровых растворов различными группами микроорганизмов. Использование в предлагаемом способе обработки реагента из класса биостатов позволяет предотвратить проблему повторного развития в системе микроорганизмов. К биостатам относятся химические соединения, которые, выступая в качестве ингибиторов метаболизма, способны угнетать (подавлять) жизнедеятельность микроорганизмов и сохранять степень зараженности бурового раствора на низком уровне в течение длительного времени хранения.
Известно, что в результате метаболической деятельности сульфат-восстанавливающих бактерий (СВБ), одного из основных видов микрофлоры буровых растворов, происходит значительное увеличение в растворе концентрации биогенного сероводорода, который, в свою очередь, за счет снижения рН среды оказывает деструктивное воздействие на макромолекулы полимерных реагентов, входящих в рецептуру бурового раствора, и вызывает коррозию технологического оборудования. Использование в предлагаемом способе обработки бурового раствора поглотителя сероводорода и регулятора концентрации ионов водорода позволяет предотвратить возникновение данной проблемы.
Повышение ингибирующей способности раствора достигается за счет следующего. При растворении в воде биостатической добавки на основе изотиазолинонов, атом азота, входящий в изотиазолиноновое кольцо, способен протонироваться, что обуславливает возникновение у молекулы положительного заряда и дает возможность взаимодействия с отрицательно заряженными группами глинистых минералов. В результате катионного обмена поверхность глинистых пород, слагающих стенки скважины, покрывается мономолекулярной пленкой этих соединений, которая существенно замедляет последующее взаимодействие глинистых минералов с водной фазой бурового раствора, что, в свою очередь, приводит к снижению скорости гидратации глинистых пород, уменьшению интенсивности их набухания и разупрочнения.
Для приготовления заявляемого бурового раствора в лабораторных условиях были использованы следующие вещества:
Биоцид, диссоциирующий в воде с образованием хлорноватистой кислоты:
- БАКТЕРИЦИД Д, ТУ 20.59.59-111-38892610-2021;
- Натрия гипохлорит технический марка А, ТУ 6-01-29-93.
Поглотитель сероводорода:
- Цинка окись, ТУ 10262-73;
- Утяжелитель буровой сидеритовый, ТУ 0711-002-90065606-2016.
Регулятор концентрации ионов водорода:
- Натр едкий технический, ГОСТ Р 55064-2012;
- Калия гидрат окиси технический, ГОСТ 9285-78.
Биостат (Реагент на основе изотиазолинонов):
- ИНОЦИД, ТУ 2458-024-38892610-2012;
- ЭКОТРИТ марка А-02к, ТУ 20.59.59-022-88433876-2017.
Возможность осуществления заявляемого изобретения подтверждается следующими примерами. В качестве буровых растворов использовали рецептуры, состав которых приведен в таблицах 1 и 2.
Пример 1. В емкость с 928 мл воды из водозаборной скважины с одного из нефтяных месторождений вводили 0,337 г биоцида БАКТЕРИЦИД Д, перемешивали на лопастной мешалке с выдержкой на время обеззараживания воды в течение 3 часов. После этого в воду последовательно вводили реагенты в количестве, указанном в таблице 1 (кроме воды, введена ранее). После перемешивания в течение 1 часа в раствор вводили 0,393 г поглотителя сероводорода оксида цинка и 0,449 г регулятора концентрации ионов водорода натра едкого технического. Проводили перемешивание на лопастной мешалке до полного растворения едкого натра и замеряли значение рН раствора (по результатам замера рН=9,60). При перемешивании вводили в раствор 11,23 г биостата ИНОЦИД, после перемешивания в течение 1 часа раствор считается готовым к применению и последующему длительному хранению.
В соответствии с примером 1 заявляемый способ включает обработку хлоркалиевого биополимерного бурового раствора комплексом предлагаемых химических добавок в следующей концентрации, % к массе бурового раствора: окисляющий биоцид, диссоциирующий в воде с образованием хлорноватистой кислоты - 0,03; поглотитель сероводорода - 0,035; регулятор концентрации ионов водорода - 0,04; биостат - 0,1.
Пример 2. В емкость с 847 мл воды из поверхностного водного источника с одного из нефтяных месторождений вводили 0,75 г биоцида гипохлорит натрия, перемешивали на лопастной мешалке с выдержкой на время обеззараживания воды в течение 2 часов. После этого в воду последовательно вводили реагенты в количестве, указанном в таблице 2 (кроме воды, введена ранее). После перемешивания в течение 1 часа в раствор вводили 0,625 г поглотителя сероводорода утяжелитель буровой сидеритовый и 0,875 г регулятора концентрации ионов водорода калия гидрата окиси технического. Проводили перемешивание на лопастной мешалке до полного растворения едкого калия и замеряли значение рН раствора (по результатам замера рН=10,50). При перемешивании вводили в раствор 3,125 г биостата ЭКОТРИТ марка А-02к, после перемешивания в течение 1 часа раствор считается готовым к применению и последующему длительному хранению.
В соответствии с примером 2 заявляемый способ включает обработку пресного полимерглинистого бурового раствора комплексом предлагаемых химических добавок в следующей концентрации, % к массе бурового раствора: окисляющий биоцид, диссоциирующий в воде с образованием хлорноватистой кислоты - 0,06; поглотитель сероводорода - 0,05; регулятор концентрации ионов водорода - 0,07; биостат - 0,25.
Аналогичным образом осуществляли другие способы обработки буровых растворов для повышения их микробиологической устойчивости с различным соотношением заявляемых компонентов (таблица 3).
В лабораторных условиях определяли следующие свойства буровых растворов, обработанных с использованием заявляемого и известного по прототипу способов: пластическая вязкость, динамическое напряжение сдвига, статическое напряжение сдвига, показатель фильтрации, общее микробное число, показатель продольного набухания спрессованных образцов породы при контакте с раствором.
Структурно-реологические свойства раствора (пластическую вязкость, динамическое напряжение сдвига, статическое напряжение сдвига) определяли с помощью ротационного вискозиметра модели 900 производства OFITE (США) в соответствии с ГОСТ 33213-2014.
Показатель фильтрации определяли с использованием фильтр-пресса производства OFITE (США). Испытания проводили с применением в качестве модельной пористой среды специальной фильтровальной бумаги (Whatman No. 50) в соответствии с ГОСТ 33213-2014.
Водородный показатель рН определяли с использованием анализатора жидкости Seven Compact (Швейцария) в соответствии с ГОСТ 33213-2014.
Микробиологическую устойчивость бурового раствора во времени оценивали по изменению указанных выше показателей свойств бурового раствора после выдержки в статических условиях в течение 30 и 60 суток.
Обсемененность бурового раствора микрофлорой оценивали по показателю - общее микробное число (ОМЧ), которое определяли количественным подсчетом общего числа колоний аэробных бактерий в чашках Петри с агаризованной пептон-дрожжевой питательной средой.
Показатель продольного набухания спрессованных образцов породы определяли после контакта образцов с исследуемыми растворами в течение 72 часов при Т=25°С с применением тестера линейного набухания глинистых пород в динамических условиях производства OFITE (США). Для проведения исследований использовали спрессованные образцы породы (природного кернового материала радаевского горизонта, содержащего 50,1% глинистой фракции в виде гидрослюды, хлорита и каолинита, а также кварц -26,1%, полевой шпат - 3,3% и пирит - 20,5%), измельченной до фракции размером менее 160 мкм. Прессование измельченной породы для получения образцов проводили с использованием компактора (входящего в комплект тестера) под давлением 42 МПа.
В таблице 4 приведены данные по показателям свойств буровых растворов, обработанных согласно заявляемому и известному по прототипу способам, непосредственно после приготовления, а также через следующие периоды инкубации - 30 и 60 суток.
Данные, приведенные в таблице 4, показывают, что предлагаемый способ обработки буровых растворов по сравнению с прототипом обеспечивает более высокую стабильность реологических и фильтрационных параметров буровых растворов (менее выраженное изменение указанных параметров растворов в процессе инкубации в течение 30 суток), увеличение микробиологической устойчивости буровых растворов (более низкое значение общего микробного числа в растворах непосредственно после приготовления и через 30 суток выдержки на период инкубации) с одновременным повышением их ингибирующих свойств (более низкие значения показателя продольного набухания спрессованных образцов породы при контакте с растворами).
Заявленное количественное соотношение компонентов в предлагаемом способе обработки буровых растворов является оптимальным, так как именно за счет его применения проявляются все указанные положительные свойства.
Например, добавление биоцида и биостата в количестве ниже заявленных пределов может привести к неполному обеззараживанию дисперсионной среды бурового раствора и, как следствие, к его недостаточной микробиологической устойчивости в течение длительного времени хранения. Избыток указанных компонентов не целесообразен, так как заметного влияния на увеличение микробиологической устойчивости буровых растворов не оказывает.
2
2
Недостаток поглотителя сероводорода может привести к ухудшению показателей реологических и фильтрационных свойств буровых растворов за счет увеличения концентрации в буровом растворе сероводорода, как техногенной (поступление HS в раствор во время бурения из пластовых флюидов), так и биогенной (образование HS при развитии и росте в системе СВБ) природы. Внесение поглотителя сероводорода выше верхнего предела нецелесообразно, так как заявленный верхний предел соответствует концентрации, достаточной для нейтрализации присутствующего в буровых растворах сероводорода.
Добавление регулятора концентрации ионов водорода (щелочного реагента) ниже заявленного предела может привести к недостаточно высокому значению рН раствора и созданию, как следствие, благоприятной среды для роста и развития микроорганизмов в среде бурового раствора (как известно, оптимальное значение водородного показателя для развития микрофлоры находится на уровне рН=5,5-8,5). Избыток щелочного реагента может привезти с инициированию протекания в системе щелочного гидролиза полимерных компонентов бурового раствора, приводящего к ухудшению его реологических и фильтрационных свойств.
Указанные преимущества предлагаемого способа обработки буровых растворов для повышения их микробиологической устойчивости позволяют:
- обеспечить возможность многократного (на нескольких последовательно бурящихся скважинах) использования буровых растворов на водной основе за счет сохранения их реологических и фильтрационных параметров в течение длительного времени хранения;
- предупредить осложнения при бурении неустойчивых пород, содержащих глинистую фракцию, за счет повышения ингибирующей способности буровых растворов.