БУРОВОЙ РАСТВОР НА ПОЛИМЕРНОЙ ОСНОВЕ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА СКВАЖИН
POLYMER-BASED DRILLING MUD FOR WELL CONSTRUCTION

Изобретение относится к бурению нефтяных и газовых скважин, а именно к безглинистым биополимерным буровым растворам, применяемым для вскрытия продуктивных пластов нефтяных и газовых скважин, представленных карбонатными и терригенными (песчаниками) коллекторами, а также для восстановления скважин бурением вторых стволов в различных гидрогеологических условиях.
2
2
Известен буровой промывочный раствор (патент РФ №2289603 от 10.04.2009 г.), содержащий полимерный понизитель фильтрации - полианионную целлюлозу или карбоксиметилцеллюлозу, или карбоксиметилоксиэтилцеллюлозу, или оксиэтилцеллюлозу, или гидролизованный полиакрилонитрил, биополимер ксантанового типа, этилендиамиды жирных кислот - продукт конденсации этилендиамина и фосфатидного концентрата, гуматы щелочных металлов - углещелочной реагент УЩР или гуматно-калиевый реагент ГКР, соли щелочных и/или щелочноземельных металлов - KCl, NaCl, CaCl, MgCl, бишофит 3,0-40,0, воду при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Указанный понизитель фильтрации
0,1-1,0
Биополимер ксантанового типа
0,2-0,5
Указанные этилендиамиды жирных
0,05-3,0
кислот
УЩР или ГКР
3,0-6,0
Указанные соли
3,0-40,0
Вода
остальное
Недостатками известного бурового раствора являются использование полимерных понизителей фильтрации, обладающих высокой устойчивостью к деструкции, и его неудовлетворительные структурно-реологические свойства, что приводит к повышенным гидродинамическим сопротивлениям при циркуляции раствора в скважине. Вследствие этого на продуктивный коллектор оказывается повышенная репрессия, приводящая к увеличению объема и глубины проникновения фильтрата раствора в пласт. Кроме того, использование хлорида кальция повышает жесткость воды, что приводит к снижению эффективности работы полимеров.
Наиболее близким составом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является безглинистый буровой раствор преимущественно для бурения горизонтальных скважин и скважин с большим углом отклонения, включающий биополимер, полианионную целлюлозу, модифицированный крахмал, гидроксид щелочного металла, поверхностно-активное вещество ПАВ МИГ, водорастворимую соль кремниевой кислоты и воду при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
Биополимер
0,05-0,2
Полианионная целлюлоза
0,1-0,25
Модифицированный крахмал
1,15-2,0
Гидроксид щелочного металла
0,045-0,16
Водорастворимая натриевая соль кремниевой кислоты
0,23-1,2
Поверхностно-активное вещество ПАВ МИГ
0,3-1,0
Вода
остальное,
при этом массовое соотношение гидроксида щелочного металла и водорастворимой соли кремниевой кислоты составляет 1:2,5-15,0 соответственно. Дополнительно с целью регулирования плотности в данный раствор допускается вводить утяжелитель - неорганические соли, или карбонатный утяжелитель, или бентонит (патент РФ №2186819 от 10.08.2002 г.). Данный состав принят за прототип.
Признаки прототипа, совпадающие с признаками заявляемого изобретения - биополимер ксантанового типа, модифицированный крахмал, карбонат кальция, ингибитор набухания глинистых минералов, ПАВ и вода.
Недостатком известного состава, принятого за прототип, является наличие трудно растворимых компонентов: полианионной целлюлозы и бентонита. Полианионная целлюлоза является устойчивым к деструкции полимером, что усложняет вытеснение фильтрата бурового раствора из пласта в скважину. В случае использования бентонитового глинопорошка образуется плотная корка, кольматирующая пласт, что, с одной стороны, снижает фильтруемость раствора, а с другой стороны, снижает фильтрационные характеристики коллектора из-за сложности декольматации глинистых частиц, что приведет к повышению затрат пластовой энергии на движение флюидов.
Задачей изобретения является получение биополимерного промывочного раствора, сохраняющего фильтрационно-емкостные свойства продуктивных коллекторов и снижающего затраты пластовой энергии на движение флюидов, с использованием биоразлагаемых полимеров и легко удалимых кольматантов.
Поставленная задача была решена за счет того, что известный буровой раствор на полимерной основе для строительства скважин, содержащий биополимер ксантанового типа, модифицированный крахмал, ингибитор набухания глинистых минералов, карбонат кальция, поверхностно-активное вещество и воду, содержит биополимер ксантанового типа марки xanthan gum FCC IV, модифицированный крахмал марки МК-Ф1 или МК-Б, поверхностно-активное вещество ОП-10, в качестве ингибитора набухания глинистых минералов содержит хлорид калия или углекислый калий, или формиат натрия, или хлорид натрия, и дополнительно содержит кальцинированную и/или каустическую соду при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
Биополимер ксантанового типа марки xanthan gum FCC IV
0,15-0,22
Модифицированный крахмал марки МК-Ф1 или МК-Б
1,8-2,5
Кальцинированная и/или каустическая сода
0,1-0,2
Карбонат кальция
3-10
Хлорид калия или углекислый калий, или формиат натрия, или
3-23
хлорид натрия
Поверхностно-активное вещество ОП-10
0,1-0,2
Вода
остальное
Отличительные признаки заявляемого раствора от раствора по прототипу - содержит биополимер ксантанового типа марки xanthan gum FCC IV, модифицированный крахмал марки МК-Ф1 или МК-Б, поверхностно-активное вещество ОП-10; в качестве ингибитора набухания глинистых минералов содержит хлорид калия или углекислый калий или формиат натрия или хлорид натрия; введение кальцинированной и/или каустической соды; иное количественное соотношение используемых ингредиентов мас. %: биополимер ксантанового типа марки xanthan gum FCC IV - 0,15-0,22; модифицированный крахмал марки МК-Ф1 или МК-Б - 1,8-2,5; кальцинированная и/или каустическая сода - 0,1-0,2; карбонат кальция - 3-10; хлорид калия или углекислый калий или формиат натрия или хлорид натрия - 3-23; поверхностно-активное вещество ОП-10 - 0,1-0,2; вода - остальное.
Достижение указанного технического результата обеспечивается за счет использования в качестве регулятора структурно-реологических параметров ксантана марки xanthan gum FCC IV, в качестве регулятора рН кальцинированной и/или каустической соды, в качестве ингибитора набухания глинистых минералов соли (хлорид калия, углекислый калий, формиат натрия, хлорид натрия), в качестве понизителя фильтрации крахмала марки МК-Ф1 или МК-Б, в качестве поверхностно-активного вещества ОП-10, в качестве утяжеляющего компонента и кольматанта карбоната кальция и за счет подбора определенного количественного соотношения компонентов в растворе.
Ксантановый биополимер марки xanthan gum FCC IV использован в качестве структурообразователя и понизителя фильтрации. Молекулы ксантана адсорбируют воду с образованием трехмерной сетки из двойных спиралей ксантана, по структуре близкой с гелем, но отличающейся меньшей вязкостью, что позволяет снизить фильтрацию в продуктивный пласт и обеспечить высокую выносящую способность раствора. Разветвленная пространственная структура цепи полимера ксантана обеспечивает снижение фильтрации жидкости в продуктивный пласт. Ксантан формирует токситропные, густые неньютоновские растворы. Его растворы проявляют следующие свойства: высокую вязкость при низкой концентрации и скорости сдвига; устойчивость к влиянию ферментов, солей, кислот, оснований; устойчивость к изменениям ионной силы, температуры; постоянную высокую вязкость в широком диапазоне рН от 2 до 12; высокий модуль упругости.
Ксантановый биополимер является природным биополимером, разлагается вследствие биодеструкции в пласте и не приводит к его засорению. Его высокая псевдопластичность (при увеличении сдвигового усилия резко понижается вязкость, после снятия усилия начальная вязкость восстанавливается почти мгновенно) способствует снижению пластической и условной вязкости бурового раствора.
Оптимальные условия для быстрого «распускания» и работы полимеров обеспечиваются при значении водородного показателя 8-9. С этой целью в промывочный раствор вводится кальцинированная и/или каустическая сода. Помимо создания щелочной среды она эффективно снижает жесткость воды, что улучшает гидратацию полимера.
Использование в качестве загустителя и водоудерживающего компонента крахмала марки МК-Ф1 или МК-Б позволит снизить водоотдачу раствора, не увеличивая при этом его пластическую вязкость. Модифицированный экструзионный крахмал эффективно снижает водоотдачу промывочного раствора и является биоразлагаемым, что обеспечивает естественное разложение полимерной структуры через определенный период времени. Биологическое разложение крахмала происходит за 2-7 суток в зависимости от рН среды, температуры и обработки раствора бактерицидами. Данная особенность облегчает вытеснение фильтрата бурового промывочного раствора из пласта-коллектора и способствует быстрому восстановлению продуктивности пласта. Модифицированный крахмал успешно работает как в пресной, так и в минерализованной воде. Важным свойством модифицированного крахмала является его высокая устойчивость к моно- и поливалентной солевой агрессии. Кроме того, модифицированный экструзионный крахмал является экологически безопасным, не дефицитным и широко распространенным реагентом.
Карбонат кальция используется в качестве наполнителя - утяжелителя для повышения плотности буровых растворов, а также в качестве кольматанта - для закупоривания пор внутри породы, возникающих на внутренних поверхностях буровых скважин. Благодаря способности растворяться при солянокислых обработках, использование карбоната кальция позволит, не ухудшая реологических свойств раствора, улучшить вызов притока из скважины.
Для обеспечения необходимой минерализации бурового раствора с малой водоотдачей применяются следующие реагенты, обеспечивающие должную минерализацию промывочного раствора:
- хлористый калий (KCl);
- хлорид натрия (NaCl);
- формиат натрия (HCOONa);
2
3
- углекислый калий (KCO).
3
3
Применение вышеуказанных солей позволяет создавать промывочные растворы плотностью от 1050 кг/м до 1550 кг/м.
Разработанный буровой раствор обладает достаточно высокими смазочными и гидрофобизирующими свойствами, что предотвратит глубокое проникновение фильтрата промывочного раствора в пласт и исключит образование стойких водо-нефтяных эмульсий в призабойной зоне пласта, а также позволит улучшить условия работы долота на забое скважины, обеспечит свободное прохождение бурильного инструмента по стволу и будет являться профилактическими мерами для предотвращения прихватов бурильной колонны.
Для приготовления заявляемого бурового раствора в лабораторных условиях были использованы следующие вещества:
- ингибитор набухания глин: хлорид калия по ГОСТ 4568-95 или карбонат калия по ГОСТ 10690-73 или формиат натрия по ТУ 2432-011-00203803-98 или хлорид натрия по ГОСТ 4233-77;
- понизитель фильтрации: модифицированный крахмал марки МК-Ф1 или МК-Б по ТУ 9187-002-00343094-2006;
- структурообразователь: биополимер ксантанового типа марки xanthan gum (FCC IV), WEGO CHEMICAL & MINERAL CORP.;
- кольматант: карбонат кальция по ТУ 95-2317-91;
- поверхностно-активное вещество: ОП-10 по ГОСТ 8433-81;
- регулятор рН среды: кальцинированная по ГОСТ 5100-85 и/или каустическая сода по ГОСТ Р 55064-2012;
- вода.
Возможность осуществления заявляемого изобретения подтверждается следующим примером.
Пример.
Для получения заявляемого промывочного бурового раствора в 800 г воды (71,6%) вводят 1,12 г кальцинированной соды (0,1%), постепенно добавляют 22,35 г крахмала марки МК-Ф1 (2%), 2,23 г ксантана марки xanthan gum (FCC IV) (0,2%), 256,98 г формиата натрия (23%), 33,52 г карбоната кальция (3%), 1,12 г ОП-10 (0,1%), перемешивают.
По описанному способу были приготовлены растворы с другим содержанием ингредиентов. Компонентный состав заявляемых и известных буровых промывочных растворов приведен в таблице 1. Данные об ингредиентном составе заявляемого бурового раствора приведены в таблице 2.
В ходе лабораторных испытаний определяли по общеизвестным методикам следующие параметры заявляемого бурового промывочного раствора: плотность, показатель фильтрации, условную вязкость, толщину фильтрационной корки, пластическую вязкость, динамическое напряжение сдвига, статическое напряжение сдвига. Данные о показателях свойств заявляемых и известных буровых растворов приведены в таблице 3.
Как видно из таблицы 1, предлагаемый буровой промывочный раствор, по сравнению с аналогом и прототипом, не содержит трудно растворимых и устойчивых к деструкции компонентов, содержит легко разрушаемые компоненты и эффективные ингибиторы набухания глин.
Как видно из таблиц 1-3, предлагаемые буровые промывочные растворы содержат легко разрушаемые компоненты и обладают низкими значениями показателя фильтрации и технологически необходимыми структурно-реологическими свойствами, не уступающими прототипу, что позволяет максимально сохранять проницаемость фильтра продуктивных коллекторов и снизить затраты пластовой энергии на движение флюидов.
Разработанный полимерный буровой промывочный раствор является взрыво- и пожаробезопасным, не токсичным и экологически безопасным.