ЭМУЛЬСИОННЫЙ БУРОВОЙ РАСТВОР
EMULSION DRILLING MUD

Изобретение относится к бурению и заканчиванию нефтяных и газовых скважин, в частности к эмульсионным буровым растворам.
Широко известно применение моноалкиловых эфиров жирных кислот в качестве компонентов разнообразных химических реагентов и присадок к буровым растворам. Так, сложные эфиры ненасыщенных высших кислот и многоатомных спиртов применяются в качестве эффективного эмульгатора, обеспечивающего высокий уровень устойчивости инвертного эмульсионного бурового раствора, содержащего воду, нефтепродукт и окисленный петролатум [Инвертный эмульсионный буровой раствор. Авт .Св. СССР №570626, С09К 7/02, заявка 1685093/03 от 28.07.1971, опубл. 30.08.1977, бюл. 32]. Данный буровой раствор обладает недостаточной агрегативной устойчивостью и низкими структурными характеристиками из-за отсутствия в его рецептуре органофильного бентонита, а также содержит экологически опасные нефтепродукты ароматического ряда.
Предложен способ получения эмульгатора-стабилизатора гидрофобно-эмульсионных буровых растворов, обеспечивающего высокую термостойкость и низкие значения показателя фильтрации промывочных систем [Патент РФ 2201950, 2003]. Данный эмульгатор-стабилизатор получают этерификацией при нагревании до 150°С смеси синтетических жирных кислот и триэтаноламина при атмосферном давлении в среде растворителя - дизельного топлива или керосина. Полученные сложные эфиры проявляют свойства эффективного маслорастворимого эмульгатора, который, однако, не является экологически безопасным продуктом из-за содержания в товарной форме нефтепродуктов (керосина или дизельного топлива).
Полигликолевые эфиры жирных кислот используются в качестве эмульгатора бурового раствора на углеводородной основе, который используется для приготовления гидрофобного эмульсионного бурового раствора методом инверсии фаз [Патент РФ 2490293,2013]. Данный метод заключается в смешении двух растворов - на углеводородной и водной основах: буровой раствор на водной основе вводят в раствор на углеводородной основе порционно при перемешивании до появления признаков образования инвертной эмульсии. В качестве углеводородной жидкости в гидрофобном эмульсионном растворе используют минеральные масла, или сложные эфиры растительных масел, или синтетические жидкости из класса полиальфаолефинов и полиалкиленгликолей. Полученный методом инверсии фаз буровой раствор имеет низкое значение показателя фильтрации, технологически необходимые реологические характеристики и низкие гидравлические сопротивления для бурения пологих и горизонтальных скважин. Однако гидрофобный эмульсионный раствор, полученный методом инверсии фаз, характеризуется недостаточной устойчивостью к коалесценции (смешение фаз происходит при достижении величины электростабильности не менее 10 В, что совершенно недостаточно) и низкой экологичностью из-за присутствия в рецептуре углеводородов (минерального масла, альфаолефинов).
Метиловые эфиры насыщенных и ненасыщенных монокарбоновых кислот применяются для улучшения текучести эмульсионных буровых растворов инвертного типа [Патент РФ 2013436, 1994]. Указанным способом удается добиться приемлемых значений реологических свойств инвертной эмульсии (пластическая вязкость 15-40 мПа⋅с, предел текучести 50-120 дПа), но не обеспечивается необходимый уровень ее агрегативной и седиментационной устойчивости: показатель электростабильности инвертной эмульсии ниже 150 В при требуемом значении не менее 500 В.
В качестве Прототипа по совокупности свойств был выбран экологически безопасный буровой раствор, содержащий касторовое масло, хлористый кальций, органофильный бентонит, загуститель (кальциевый резинат канифоли) и воду, а в качестве эмульгатора использующий «Неонол АФ-9/12» [Патент РФ 2263701, 2005]. Представленная в прототипе обратная эмульсия, фильтруясь при бурении в горные породы, не вызывает их набухания и разупрочнения. А при вскрытии нефтегазоносного пласта Прототип не вызывает набухания глинистой части его скелета, что обеспечивает полное сохранение коллекторских свойств продуктивного пласта. Кроме того, описанный в Прототипе эмульсионный буровой раствор на основе касторового масла является абсолютно экологически безопасным и может быть использован при разбуривании шельфовых месторождений нефти и газа, так как допускает сброс отработанного бурового раствора непосредственно в акваторию без ущерба для природы, так как его дисперсионная среда (касторовое масло) и загуститель являются биоразлагаемыми и полностью утилизируются микроорганизмами из окружающей среды.
Однако, прототип обладает рядом недостатков:
3
3
3
3
1. В рецептуре Прототипа в качестве масляной фазы используется касторовое масло, которое обладает относительно высокими значениями температуры застывания (8-18°С) и плотности (0,948-0,968 г/см). Это обуславливает повышенную вязкость инвертной эмульсии Прототипа, по сравнению углеводородными буровыми растворами, в которых дисперсионной средой является низкозамерзающие нефтепродукты, например, дизельное топливо (температура замерзания дизельного топлива ниже -10°С). Кроме того, плотность касторового масла существенно выше, чем плотность нефтепродуктов (плотность дизельного топлива не более 0,86 г/см), поэтому нижний предел удельного веса Прототипа ограничен интервалом 0,99-1,02 г/см, тогда как при бурении в зонах АНПД во многих случаях плотность бурового раствора не должна быть выше 0,9 г/см. Указанные замечания существенно ограничивают применение Прототипа в условиях низких температур и при бурении в интервалах АНПД.
2. Основным эмульгатором инвертной эмульсии Прототипа заявлен «Неонол АФ9/12», представляющий собой оксиэтилированный алкилфенол со степенью оксиэтилирования 9-12. Величина ГЛБ, рассчитанная для данного ПАВ по Гриффину [Холмберг К. Поверхностно-активные вещества и полимеры в водных растворах / К. Холмберг, Б. Йенссон, Б. Кронберг, Б. Линдман; Пер. с англ. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. - С. 445-446.], составляет 13-14. Согласно классификации ПАВ [С.С. Воюцкий Курс коллоидной химии. - Москва.: Химия. - 1975. - С. 373], «Неонол-АФ9/12» относится к водорастворимым эмульгаторам прямых эмульсий. Поэтому инвертные эмульсии, получаемые на его основе, имеют относительно низкую агрегативную устойчивость и, соответственно, недостаточную электростабильность, по сравнению с инвертными эмульсиями, стабилизированными маслорастворимыми эмульгаторами обратных эмульсий с величиной ГЛБ менее 6.
п.
3. Используемый в рецептуре Прототипа неионный водорастворимый эмульгатор «Неонол-АФ9/12» имеет температуру «помутнения» (Т) в интервале 85-95°С, то есть в этом интервале температур данный ПАВ становится маслорастворимым. Переход эмульгатора в масляную фазу существенно понижает устойчивость эмульсии прототипа, поэтому ее электростабильность значительно понижается при нагревании выше 95°С.
Сущность изобретения состоит в том, что новый эмульсионный буровой раствор, содержащий масляную фазу, соли щелочных и/или щелочноземельных металлов, органофильный бентонит, полярную фазу и эмульгатор, отличается тем, что в качестве масляной фазы используются алкиловые эфиры жирных кислот растительных масел и/или их смеси, в качестве полярной фазы используется вода и/или многоатомный спирт и/или моноэтаноламин, и/или диэтаноламин, и/или триэтаноламин, а в качестве эмульгатора - композиция неионных ПАВ, при следующем соотношении компонентов, % мас.:
Алкиловые эфиры жирных кислот и/или их смеси - 50-90;
Органофильный бентонит - 2-3;
Соли щелочных и/или щелочноземельных металлов - 0-20;
Композиция ПАВ - 0,1-10;
Полярная фаза - 0,1-47,9.
Кроме того, экологически безопасный эмульсионный буровой раствор отличается тем, что в качестве алкиловых эфиров жирных кислот растительных масел используются алкиловые эфиры жирных кислот подсолнечного и/или кукурузного, и/или рапсового, и/или касторового, и/или пальмового, и/или соевого, и/или таллового, и/или оливкового, и/или хлопкового масла, с общей формулой:
1
n
n
где: R - алкильный радикал общей формулы CH2-i, где: n=1-6;
2
8
22
12
24
R - углеводородный остаток насыщенной монокарбоновой кислоты С-С или однократно (или многократно) олефиново-ненасыщенной монокарбоновой кислоты С-С.
Эмульсионный буровой раствор в качестве композиции неионных ПАВ использует бинарные композиции малорастворимого ПАВ с величиной гидрофильно-липофильного баланса (ГЛБ) равной 1-6 и водорастворимого ПАВ с ГЛБ равным 8-18 при следующем соотношении компонентов, % (мас.):
ПАВ (1-6) : ПАВ (8-18) =99:1 - 1:99. В составе нового эмульсионного бурового раствора в качестве солей щелочных и/или щелочноземельных металлов используются хлориды и/или бромиды, и/или иодиды, и/или формиаты, и/или ацетаты щелочных и/или щелочноземельных металлов.
В качестве многоатомного спирта в составе полярной фазы бурового раствора используется этиленгликоль и/или диэтиленгликоль, и/или триэтиленгликоль, и/или глицерин, и/или полиглицерин, и/или пропиленгликоль, и/или дипропиленгликоль, и/или трипропиленгликоль.
В ходе лабораторных испытаний проводились измерения следующих технологических характеристик инвертных эмульсионных буровых растворов [РД 39-00147001: Методика контроля параметров буровых растворов. - ОАО НПО «Бурение». - 2004. - 136 с.]: удельный вес бурового раствора с использованием рычажных весов ВРП-1; реологические свойства бурового раствора (пластическая вязкость (л), динамическое напряжение сдвига (т)) с использованием ротационного вискозиметра FANN-35SA (Фирма "Fann Instrument Company", США); напряжение электропробоя эмульсионного бурового раствора («электростабильность») на приборе ПНП-1. Образцы эмульсионных буровых растворов готовили, соблюдая заданную последовательность смешения компонентов: эмульгатор и органобентонит вводили в масляную фазу, после чего производили ее смешение с водным раствором минеральной соли [Г.А. Орлов, М.Ш. Кендис, В.М. Глущенко Применение обратных эмульсий в нефтедобычи. - М.:Недра. - 1991].
Для исследования были приготовлены составы эмульсионных растворов, представленные в табл.1.
Новый экологически безопасный эмульсионный буровой раствор имеет, по сравнению с Прототипом, следующие преимущества:
3
1. Новый эмульсионный буровой раствор, по сравнению с Прототипом, характеризуется более низкими значениями температуры замерзания и пластической вязкости, а также имеет более высокую величину динамического напряжения сдвига (табл.2). Кроме того, при одинаковой концентрации масляной фазы (75%) и хлорида кальция (3%), плотность экологически безопасный эмульсионный буровой раствор - 1 существенно ниже плотности Прототипа. Это связано с тем, что метиловый эфир жирных кислот рапсового масла в рецептуре экологически безопасного эмульсионного бурового раствора имеет более низкие значения температуры застывания (ниже -9°С) и удельного веса (менее 0,89 г/см), по сравнению с касторовым маслом, применяемым в рецептуре Прототипа. Указанные особенности рецептуры обеспечивают новому эмульсионному раствору повышенную эффективность транспорта шлама при бурении наклонных и горизонтальных стволов, а также оптимизируют его применение в интервалах АНПД.
2. Все рассмотренные варианты рецептур нового экологически безопасного эмульсионного бурового раствора характеризуются более высоким значением напряжения электропробоя, по сравнению с Прототипом (табл. 2). Это связано с тем, что в составе системы экологически безопасного эмульсионного бурового раствора используется эмульгирующий комплекс водорастворимого ПАВ с ГЛБ=12 и маслорастворимого ПАВ с ГЛБ=1,5 в массовом соотношении 15:85. Результирующая величина ГЛБ эмульгирующей композиции составляет 3,1. Данное значение ГЛБ обуславливает оптимальное распределение эмульгатора на границе раздела фаз, что обеспечивает повышенную кинетическую устойчивость инвертной эмульсии к коалесценции. Поэтому экологически безопасный эмульсионный буровой раствор имеет более высокую электростабильность, по сравнению с Прототипом, и, соответственно, более высокую седиментационную устойчивость.
3. При нагревании до температуры 98°С устойчивость эмульсии Прототипа существенно понижается, что выражается в снижении напряжения электропробоя (табл. 2). В то же время, нагревание экологически безопасного эмульсионного бурового раствора до 98°С, наоборот, сопровождается повышением его электростабильности - напряжение пробоя увеличивается. Это связано с тем, что при нагревании выше температурного интервала «помутнения» эмульгатора «Неонол-АФ9/12» (85-95°С) начинается коалесценция эмульсии Прототипа, связанная с перераспределением (диффузией) эмульгатора из водной возы в масляную, что нарушает устойчивость защитного адсорбционного барьера на границе раздела фаз. Комплексный эмульгатор в составе нового экологически безопасного эмульсионного бурового раствора изначально имеет температуру «помутнения» ниже 0°С, поэтому нагревание только упрочняет