Комплексный ингибитор гидратации глин для буровых растворов
COMPLEX CLAY HYDRATION INHIBITOR FOR DRILLING MUD

Изобретение относится к области бурения, строительства скважин, а именно к ингибиторам гидратации глин, используемым в составе буровых растворов на водной основе (глинистых и безглинистых, пресных и мнерализованных) для строительства наклонно-направленных, преимущественно, с углом наклона более 70°, и горизонтальных скважин в интервалах неустойчивых терригенных отложений.
Одной из основных проблем, возникающих при строительстве скважин, особенно в сложных геолого-технических условиях, является сохранение устойчивости ствола на протяжении всего периода строительства скважины. Потеря устойчивости глинистых пород обуславливается физико-механическими факторами, такими как ослабление несущей способности в приствольной зоне, и физико-химическими факторами, связанными с взаимодействием бурового раствора с породами стенок скважины. При этом решающее влияние на устойчивость стенок скважины оказывают процессы гидродинамического и физико-химического взаимодействия буровых растворов с комплексом вскрываемого бурением массива горных пород.
Наиболее серьезные проблемы, связанные с неустойчивостью ствола скважины, возникают при вскрытии интервалов, представленных не набухающими высоколитифицированными аргиллитами и глинистыми сланцами, характеризующимися пониженной прочностью, особенно при вскрытии данных пород под большим зенитным углом (70° и более).
В большинстве случаев, предотвратить возникновение проблем, связанных с неустойчивостью ствола скважины, позволяет использование буровых растворов на углеводородной или синтетической основе.
В связи с тем, что растворы на водной основе являются более экономичными, экологически безопасными и имеют более мягкий реологический профиль, актуально применение комплексных ингибиторов гидратации глин, обеспечивающих замедление и/или уменьшение поверхностной гидратации глинистых пород в среде растворов на водной основе за счет их гидрофобизации, капсулирования и кольматации.
В настоящее время известны следующие принципы действия ингибиторов гидратации глинистых пород: ограничение передачи давления из скважины в пласт за счет увеличения вязкости фильтрата или уменьшения проницаемости породы; гидрофобизация пород пристенного слоя ствола скважины, минимизация осмотических процессов в системе «буровой раствор - порода» за счет снижения активности водной фазы; замена катионов обменного комплекса глин; осадкообразование и цементация пород.
Известен ингибитор набухания глин, а также композиции, содержащие указанный ингибитор, и способы, использующие указанный ингибитор (Патент РФ №2577049). В качестве известного ингибитора набухания глин в водной среде, в том числе в буровых растворах, предусмотрено применение соли диамина и дикарбоновой кислоты. Указанный ингибитор в значительной степени снижает такой показатель буровых растворов, как "предел загустевания", представляющий собой максимальную массу глины, которую можно диспергировать в 100 мл раствора, при сохранении свободного объема жидкости, что свидетельствует о высокой эффективности ингибитора по отношению к «реактивным» легконабухающим глинам.
Вместе с тем, известный ингибитор не эффективен в отношении высоколитифицированных аргиллитов и глинистых сланцев, представленных в основном глинистыми минералами с не набухающей кристаллической решеткой и вызывающих наибольшую сложность при бурении скважин. Это обусловлено тем, что данный ингибитор не способствует снижению степени диспергирования указанных пород, что приводит к нарушению структурно-механических свойств пород и, как следствие, к потере устойчивости ствола скважины.
Известен ингибитор набухания глин для буровой промышленности (Патент РФ №2553812), используемый в составе буровых растворов на водной основе, содержащий от приблизительно 0,02 до приблизительно 5% по массе бис-гексаметилентриамина, солей бис-гексаметилентриамина или их смесей. Техническим результатом известного изобретения является эффективное ингибирование гидратации глин, стабильность ингибитора при температуре окружающей среды, расширение сырьевой базы за счет отходов. Бис-гексаметилентриамин и его соли, входящие в состав известного ингибитора, положительно влияют на стабилизацию набухания глин. Вместе с тем, представленные в изобретении данные лабораторных испытаний показывают, что процент восстановления глинистого сланца в среде раствора, обработанного указанным ингибитором, не превышает 43%, что недостаточно для обеспечения устойчивости ствола скважины в интервалах высоколитифицированных глинистых пород, особенно при их вскрытии под большими зенитными углами.
Наиболее близким по составу и технологической сущности является органический ингибитор глин для буровых растворов (Заявка РФ №2015109018), содержащий смазочную добавку ФК-2000 Плюс (содержит в своем составе жирные кислоты, являющиеся эмульгаторами прямых эмульсий), дипроксамин, смесь растительных и минеральных масел и нейтрализующий агент - гидрат окиси натрия или калия. Данный ингибитор в составе буровых растворов на водной основе способствует гидрофобизации пород стенок скважины, изменению смачиваемости поровой среды и тем самым снижению скорости капиллярной пропитки пор и микротрещин породы водной средой из состава бурового раствора и его фильтрата.
Недостатком указанного известного ингибитора является то, что жирные кислоты, составляющие основу смазочной добавки ФК-2000 Плюс, не совместимы с буровыми растворами, содержащими в своем составе соли поливалентных металлов, что ограничивает область использования органического ингибитора.
Кроме того, входящий в состав ингибитора дипроксамин является эффективным широко используемым деэмульгатором водонефтяных эмульсий, что снижает стабильность эмульсионных систем буровых растворов, приготовленных с использованием указанного ингибитора.
Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением, заключается в обеспечении универсальности за счет возможности использования его для любых типов буровых растворов на водной основе, при одновременном повышении у последних ингибирующих, кольматирующих, смазочных свойств и обеспечении стабильности, с приданием при этом возможности использования обработанных буровых растворов для бурения скважин с зенитным углом более 70°.
Поставленный технический результат достигается комплексным ингибитором гидратации глин для буровых растворов, включающим углеводородную фазу, эмульгатор прямых эмульсий, при этом новым является то, что в качестве эмульгатора прямых эмульсий ингибитор содержит оксиэтилированные спирты и/или алкилфенолы, и дополнительно содержит гидрофобный микрокольматант - битумную эмульсию, модифицированную методом сульфирования, и насыщенный водный раствор соли калия, при следующем соотношении компонентов, об. %:
эмульгатор прямых эмульсий - оксиэтилированные спирты и/или
алкилфенолы - 2,3-3,3
углеводородная фаза - 62,9-78,1
битумная эмульсия, модифицированная методом сульфирования - 7,8-12,6
насыщенный водный раствор соли калия (в пересчете на сухое вещество) - 11,7-21,2,
причем объемное соотношение указанной битумной эмульсии к углеводородной фазе составляет 1 : (5-10) соответственно.
В качестве углеводородной фазы ингибитор содержит дизельные, или минеральные, или синтетические масла с классом вязкости согласно ИСО 3448-1992 не более 10, или их смеси.
В качестве битумной эмульсии, модифицированной методом сульфирования, он содержит реагент Инбит или битумную эмульсию, модифицированную методом сульфирования, полученную путем смешения эмульсии битумной дорожной и кислоты серной технической концентрированной, в объемном отношении 20:1 соответственно при комнатной температуре и времени выдержки 1 час.
В качестве насыщенного водного раствора соли калия ингибитор содержит насыщенный водный раствор нитрата калия, или формиата калия, или хлорида калия.
В качестве оксиэтилированных спиртов и/или алкилфенолов он содержит Реверсмол марки В, или Lumorol 4357, или моноалкилфенолы на основе тримеров пропилена.
Комплексный ингибитор дополнительно содержит разнофракционный микрокольматант - реагент Ультрафрак в количестве 3-5 мас. % к общему объему ингибитора.
Комплексный ингибитор вводят в буровой раствор в количестве 12,5-23,3 об. % от объема бурового раствора.
Достижение поставленного технического результата обеспечивается за счет следующего.
Капли углеводородной фазы в составе предлагаемого ингибитора выступают в качестве деформируемого микрокольматанта, гидрофобизатора, структурообразователя и понизителя коэффициента трения. Они совместимы со всеми компонентами буровых растворов на водной основе, инертны по отношению к сероводороду, пластовой воде, цементу и выбуренной породе, являющимися основными видами загрязнителей растворов.
Ввод углеводородной фазы совместно с этоксилированными спиртами и/или алкилфенолами, являющимися высокоэффективными эмульгаторами прямых эмульсий, гарантирует сохранение высокой стабильности получаемого бурового раствора на протяжении всего периода строительства скважины и в течение длительного времени при необходимости хранения с целью использования раствора, содержащего предлагаемый ингибитор, в новом технологическом цикле.
В отсутствие связующих и мостообразующих веществ капли углеводородной фазы не способны создавать фильтрационный экран на стенке скважины. Это связано с тем, что основная часть капель углеводородной фазы при высоком уровне диспергирования легко проходит в поры и микротрещины породы. В качестве связующего вещества в предлагаемом комплексном ингибиторе выступают входящие в состав битумной эмульсии разветвленные органические макромолекулы смол и асфальтенов. Указанные гетерополярные вещества, молекулы которых кроме углеводородного радикала (аполярной части) имеют и полярные группы различной химической природы, способны закрепляться на глинистых минералах, несущих отрицательный некомпенсированный заряд. Наличие неполярных углеводородных радикалов определяет способность макромолекул смол и асфальтенов сорбироваться на каплях углеводородной основы, являясь для них своеобразным связующим каркасом. Совместно с каплями углеводородной фазы макромолекулы битумной эмульсии формируют на стенке скважины тонкий экран в виде гидрофобной водоотталкивающей пленки. Данный экран обладает свойствами мембраны, практически не проницаемой для дисперсионной среды бурового раствора. Кроме того, битум обладает высокой адсорбцией к поверхности пород, что в частности используется в дорожном строительстве, при этом образующаяся на поверхности пленка битума непроницаема для воды, за счет невысокой вязкости битум легко проникает в пористую среду и дополнительно связывает разобщенные по трещинам частицы породы силами адгезии. Это увеличивает трение (угол трения) в трещинах и способствует сохранению исходных структурно-механических свойств пород.
Известно, что при непосредственном контакте битумных эмульсий с водой или твердой поверхностью происходит их разделение на составляющие части: битум и воду, и моментальное отверждение битумной составляющей, это исключает возможность использования битумных эмульсий в водных системах. Предварительное проведение реакции сульфирования битумной эмульсии переводит смолы и асфальтены битума в водорастворимое состояние, тем самым обеспечивая совместимость такой сульфированной битумной эмульсии с водными системами буровых растворов.
Одной из основных причин неустойчивости ствола скважины в интервалах трещиноватых глинистых пород является смачивание имеющихся в них микротрещин дисперсионной средой бурового раствора и его фильтрата и, как следствие, ослабление структурных связей вдоль плоскостей напластования. Использование для указанного типа пород в составе комплексного ингибитора микрокольматанта (реагент Ультрафрак) за счет содержания в его составе разнофракционных частиц различной химической природы, в том числе и мостообразующих, обеспечивает ограничение процесса фильтрации вплоть до прекращения и передачи давления в поры и микротрещины пород.
Совместимость компонентов предлагаемого комплексного ингибитора со всеми известными на сегодняшний день реагентами, использующимися в буровых растворах на водной основе (глинистыми и безглинистыми, на пресной и минерализованной воде), обеспечивает универсальность применения ингибитора.
Его можно использовать с целью повышения ингибирующих и кольматирующих свойств бурового раствора, применявшегося для бурения вышележащих интервалов, для отработанных буровых растворов, оставшихся после бурения предыдущих скважин, или для свежеприготовленных растворов.
Таким образом, указанный технический результат обеспечивается за счет совокупности компонентов ингибитора в заявляемом их количественном соотношении.
Для приготовления заявляемого комплексного ингибитора в лабораторных условиях были использованы следующие вещества:
углеводородная фаза:
дизельное топливо, ГОСТ Р 52368-2005 (ЕН 590:2009),
индустриальное масло И-8А, ГОСТ 20799-88,
поли α-олефины, Neoden 16 производства компании Shell Chemicals
эмульгатор прямых эмульсий:
Реверсмол марки В, ТУ 2483-010-38892610-2012,
Lumorol 4357, по импорту,
моноалкилфенолы на основе тримеров пропилена, ТУ 38.602-09-20-91,
гидрофобный микрокольматант - битумная эмульсия, модифицированная методом сульфирования:
Инбит, ТУ 2471-017-38892610-2012,
битумная эмульсия, модифицированная методом сульфирования, синтезированная путем смешения эмульсии битумной дорожной, ГОСТ Р 52128-2003, и кислоты серной технической концентрированной, ГОСТ 2184-77, в объемном отношении 20:1 соответственно при комнатной температуре и времени выдержки 1 час. (Краткий политехнический словарь, Государственное издательство технико-теоретической литературы М, 1955, с. 910).
соль калия:
калий хлористый, ГОСТ 4568-95 (приготовление насыщенного водного раствора указано на сайте http://www.proftrade.ru/normative/d-21/c-14/doc-1219.html, Рекомендации по метрологии Р 50.2.033-2004 в качестве насыщенного водного раствора использовали раствор с содержанием 313 г/л при 20°С,
3
формиат калия, по импорту (в качестве насыщенного водного раствора использовали раствор плотностью 1,340 кг/дм при 20°С),
нитрат калия - ГОСТ 19790-74 (в качестве насыщенного водного раствора использовали раствор с содержанием 316 г/л при 20°С),
реагент Ультрафрак, ТУ 2458-039-38892610-2013.
Пример приготовления предлагаемого комплексного ингибитора
В отдельную емкость последовательно наливают дизельное топливо в количестве 1044 л, Реверсмол марки В - 34,5 л и реагент Инбит - 139,5 л, перемешивают в течение 1 часа, затем добавляют насыщенный водный раствор хлорида калия в количестве 1787,5 л (указанный насыщенный водный раствор хлорида калия содержит 1229 л воды и 558,5 кг (эта масса KCl занимает объем 281,5 л) хлорида калия). Получают комплексный ингибитор следующего состава, об. % : хлорид калия (в пересчете на сухое вещество) - 18,8; дизельное топливо - 69,6; Реверсмол марки В - 2,3; Инбит - 9,3, и после чего полученный ингибитор вводят в буровой раствор через диспергатор.
Комплексные ингибиторы с другим соотношением компонентов готовят аналогичным образом.
Составы исследованных комплексных ингибиторов представлены в таблице 1.
В качестве буровых растворов, в состав которых вводили комплексный ингибитор, были исследованы глинистый буровой раствор, биополимерный безглинистый буровой раствор, отработанный малоглинистый буровой раствор. Состав буровых растворов представлен в таблице 2.
Предлагаемый комплексный ингибитор вводили в состав указанных растворов в количестве 12,5; 18; 23,3 об. % от объема бурового раствора.
В лабораторных условиях исследовали следующие свойства заявляемого и известного по прототипу ингибиторов.
Эффективность ингибирующего действия комплексного ингибитора определяли по изменению прочностных свойств пород под воздействием буровых растворов, обработанных комплексным ингибитором, в виде следующих показателей:
- коэффициент разупрочнения (коэффициент водоустойчивости)
р
сж
сж
К=Р'/Р,
сж
сж
где Р и Р' - прочность образца породы на одноосное сжатие до и после взаимодействия с раствором, определенная на электромеханическом прессе «Zwick/Z250», соответственно;
- степень набухания спрессованного кернового порошка после взаимодействия с раствором с добавкой комплексного ингибитора в течение 72 часов, определенная на тестере линейного набухания фирмы OFITE, %.
Для исследования использовали керны тульского терригенного и тиманского терригенного горизонтов.
Кольматирующие свойства комплексного ингибитора оценивали по показателю фильтрации буровых растворов (Ф), в которые добавлен комплексный ингибитор, через бумажные и керамические фильтры проницаемостью 400 мДарси в течение 30 минут при перепаде давления 3,5 МПа на фильтр-прессе НРНТ фирмы OFITE.
тр
2
-1
Эффективность смазочного действия комплексного ингибитора определяли на машине трения (прибор OFI ЕР/LUBRICITY TESTER фирмы OFI) путем определения коэффициента трения (К) при взаимодействии металлической пары «вращающееся кольцо - неподвижная призма» в среде исследуемого раствора при давлении, равном 1,03 МПа (150 фунтов/дюйм), и частоте вращения вала 60 мин, принятых для определения смазочных свойств промывочной жидкости в мировой практике бурения.
3
Стабильность буровых растворов с добавкой комплексного ингибитора оценивали по величине стабильности (С), определяемой с использованием цилиндра ЦС-2 по разнице в плотностях раствора верхней и нижней частей цилиндра после отстоя раствора в течение 24 часов, выраженной в г/см.
Указанные свойства приведены в таблицах 3 и 4.
Данные, приведенные в таблицах 3-4, показывают, что предлагаемый комплексный ингибитор имеет следующие преимущества перед известным:
- Степень набухания терригенных пород в среде буровых растворов, являющаяся основным показателем их ингибирующих свойств, с добавкой комплексного ингибитора в 1,8-2,8 раз ниже по сравнению с прототипом.
- Коэффициент разупрочнения терригенных пород, характеризующий силы сцепления (адгезии) между частицами породы, после воздействия буровых растворов, обработанных предлагаемым комплексным ингибитором, составляет 0,63-0,85, в то время как для прототипа - 0,40-0,46.
- Предлагаемый комплексный ингибитор, сохраняя высокие показатели ингибирующих и смазочных свойств, одновременно до 2,1-14 раз по сравнению с прототипом снижает показатель фильтрации бурового раствора и, как следствие, приводит к ограничению передачи давления в пласт, кольматации пор и микротрещин породы и замедлению скорости гидратации глинистых пород.
- Все компоненты заявляемого комплексного ингибитора совместимы со всеми компонентами буровых растворов, о чем свидетельствуют представленные данные по стабильности растворов с добавкой ингибитора. Это обеспечивает универсальность применения комплексного ингибитора для различных типов буровых растворов на водной основе (глинистых и безглинистых, пресных и минерализованных), в том числе и отработанных, что будет способствовать снижению объемов образующихся отходов бурения.
Таким образом, заявляемый комплексный ингибитор действительно является универсальным реагентом, обеспечивающим устойчивость стенок скважины при его использовании в составе буровых растворов на водной основе различного состава, с одновременным обеспечением высоких смазочных свойств и стабильности растворов в состоянии покоя, что позволяет рекомендовать заявляемый ингибитор для строительства скважин, в том числе с зенитным углом более 70°.