Утяжеленный инвертно-эмульсионный буровой раствор
WEIGHTED INVERT-EMULSION DRILLING MUD

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, в частности к буровым растворам, применяемым при бурении в условиях, характеризующихся высокими забойными температурами и аномально высокими пластовыми давлениями.
Для вскрытия пластов с АВПД необходимо использование утяжеленных буровых растворов, сохраняющих оптимальные структурно-реологические свойства при высоких забойных температурах.
Известен инвертный эмульсионный раствор на основе минерального масла для вскрытия продуктивных пластов, содержащий, мас.%: масло гидравлическое минеральное ВМГЗ - 32,0-63,0; органофильный бентонит - 0,8-3,2; микрокальцит - 3,9-8,0; ксантановая смола - 0,2-0,8; эмульгатор ЭКС-ЭМ - 2,3; водный раствор хлорида кальция 10%-ный - 15,3-16,0; негашеная известь - 1,7, пеногаситель МАСС-200 - 0,5-0,8, барит - 7,5-40,0 [RU 2535723 С1, МПК С09К 8/36 (2006.01), опубл. 20.12.2014]. Известный раствор обеспечивает высокие флокулирующие и ингибирующие свойства раствора для удаления шлама.
Недостатком известного раствора является низкая стабильность структурно-реологических и фильтрационных свойств при бурении скважин в условиях высоких пластовых давлений и температур.
Известен буровой раствор на углеводородной основе, включающий высокоокисленный высокоплавкий битум, поверхностно-активное вещество - ПАВ и дизельное топливо, содержащий высокоокисленный высокоплавкий битум в виде 30-40% раствора в ксилоле или смеси ксилола и дизельного топлива с содержанием в растворителе ксилола от 50 до 99%, в качестве ПАВ - гидрофобизатор АБР и дополнительно - рапсовое масло, глинопорошок, или мрамор, или их смесь в соотношении 1:1 при следующих соотношениях компонентов, мас.%: указанный раствор высокоокисленного высокоплавкого битума 40-75, рапсовое масло 15-40, гидрофобизатор АБР 2-5, дизельное топливо 0-20, глинопорошок, или мелкодисперсный мрамор, или их смесь 0-30 [RU 2502774 C1, С09К 8/34, опубл. 27.12.2013]. Известный раствор обеспечивает оптимальные технологические показатели при упрощенной технологии приготовления.
Недостатком известного раствора является использование битума как компонента бурового раствора. Битум является нетехнологичным компонентом, поскольку при приготовлении буровых растворов на его основе требуется нагревать смесь битума вместе с пожароопасным дизельным топливом до температуры выше температуры размягчения битума.
Наиболее близким к предлагаемому составу и назначению является эмульсионный раствор на углеводородной основе, содержащий, мас.%: дизельное топливо - 14,98-84,55, органофильный бентонит - 0,39-4,26, «Эмульгатор МР» - 0,83-2,38, «Гидрофобизатор АБР» - 0,015-0,73, водную фазу, минерализованную хлоридом калия, или натрия, или кальция, - 1,5-36,73, 20%-ный раствор полиизобутилена с молекулярной массой 20000 в индустриальном масле И-20А - 0,33-3,81, окись кальция - 0,39-2,38, барит или мел - остальное [RU 2424269 С1, МПК С09К 8/02 (2006.01), С09К 8/467, опубл. 20.07.2011]. Известный раствор обеспечивает сохранение фильтрационных характеристик пород при вскрытии продуктивных пластов с АВПД.
Недостатком данного раствора является использование в качестве дисперсионной среды пожаро- и взрывоопасного дизельного топлива, оказывающего негативное влияние на окружающую среду.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является разработка утяжеленного инвертно-эмульсионного бурового раствора с ограниченным содержанием твердой фазы и оптимизированными структурно-реологическими свойствами, применяемого при бурении в условиях, характеризующихся высокими забойными температурами (до 120°C) и аномально высокими пластовыми давлениями (с коэффициентом аномальности до 2,1).
При осуществлении заявляемого технического решения поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в оптимизации структурно-реологических свойств бурового раствора за счет применения специальных добавок и галенитового утяжелителя с целью обеспечения безаварийного бурения глубоких скважин в условиях высоких пластовых давлений и температур.
2
Указанный технический результат достигается тем, что буровой раствор содержит в качестве дисперсионной среды смесь минерального масла и альфа-олефинов, в качестве дисперсной фазы минерализованную воду, органобентонит, синтетический полимерный латекс, эмульгатор, гидрофобизатор, оксид кальция при следующем соотношении компонентов, мас.%: минеральное масло ВМГЗ - 56,13-59,50, альфа-олефины фракции С12-С14 - 18,71-21,60, органобентонит BENTOLUX ОВМ - 1,82-2,18, синтетический (полимерный) латекс - 2,58-3,02, эмульгатор МР-150 - 2,61-3,09, оксид кальция (СаО) - 0,39-2,38, 30%-ный водный раствор хлорида кальция (CaCl) - 7,44-15,32, гидрофобизатор АБР-40 - 1,86-2,14, галенитовый утяжелитель - до необходимой плотности сверх 100%.
3
Достижение указанного технического результата обеспечивается за счет подбора компонентов (количественного и качественного) в заявляемом утяжеленном инвертно-эмульсионном буровом растворе, совместное применение которых позволяет получить раствор высокой плотности (до 2100 кг/м), при этом обладающий оптимальными структурно-реологическими и фильтрационными свойствами, седиментационной устойчивостью, термостабильностью при температуре до 120°C.
Для приготовления заявляемого бурового раствора использовали следующие компоненты.
В качестве дисперсионной среды используется смесь органических жидкостей: минерального масла ВМГЗ и альфа-олефинов фракции С12-С14.
ВМГЗ - высококачественное гидравлическое масло по ТУ 0253-001-81683819-2007, производится на основе маловязкого низкозастывающего базового масла с композицией присадок, отмечаются устойчивые вязкостные свойства в широком диапазоне температур (от минус 45°C до 50°C), антиокислительная, противоизносная и химическая стабильность, низкая пенообразующая способность. ВМГЗ используется в качестве основы дисперсионной среды.
Альфа-олефины фракции С12-С14 по ТУ 2411-058-05766801-96 являются продуктом термокаталитической олигомеризации этилена. Представляют собой прозрачную бесцветную жидкость. В данной композиции используется для улучшения вязкостных характеристик эмульсии.
2
В качестве дисперсной фазы применяется 30%-ный раствор хлорида кальция (CaCl), выпускаемого по ГОСТ 450-77 в виде чешуек или гранул, размер которых не превышает 10 мм, с массовой долей хлористого кальция не менее 80%.
Органобентонит BENTOLUX ОВМ по ТУ 2458-092-81065795-2016, представляющий собой продукт взаимодействия бентонитовой глины с аммониевой солью, используется в заявляемом растворе в качестве структурообразователя и для формирования на стенках скважины тонкой эластичной фильтрационной корки.
Синтетический (полимерный) латекс по ГОСТ 11808-88, получаемый совместной полимеризацией бутадиена со стиролом в соотношении 70:30 в водной эмульсии с применением в качестве эмульгатора смеси сульфанола (алкилсульфаната) и натриевого мыла синтетических жирных кислот. Массовая доля сухого вещества не менее 40%, температура желатинизации не более 8°C. В инвертно-эмульсионном растворе используется для регулирования структурно-реологических и фильтрационных свойств.
Эмульгатор MP-150 по ТУ 2458-097-17197708-2005 представляет собой углеводородный раствор сложных эфиров жирных кислот и триэтаноламина, используется для образования стабильной эмульсии.
Оксид кальция по ГОСТ 8677-77 представляет собой белые куски или порошок, слипшиеся комки с массовой долей оксида кальция не менее 96%, используется для стабилизации водной фазы.
Гидрофобизатор АБР-40 по ТУ 2483-081-17197708-2002 представляет собой углеводородный раствор продуктов конденсации жирных кислот и аминов, используется для гидрофобизации утяжелителя в заявляемом растворе.
3
Утяжеление бурового раствора до необходимой плотности производят галенитовым утяжелителем по ТУ 1725-011-56864391-2007. Галенит, или свинцовый блеск, является мелкодисперсным порошком сульфида свинца (PbS), содержащим в своем составе 86,6% свинца и 13,4% серы. Плотность галенита - от 7,4 до 7,6 г/см. Твердость по шкале Мооса 2-3. Галенит в качестве утяжелителя применяют для получения сверхтяжелых буровых растворов.
Утяжеленный инвертно-эмульсионный буровой раствор в лабораторных условиях готовили следующим образом.
Дисперсионную среду готовили путем смешивания минерального масла и альфа-олефинов на лабораторной мешалке, обеспечивающей скорость вращения швеллера (8000±1600) об/мин. При перемешивании дисперсионной среды на лабораторной мешалке вводили органобентонит и перемешивали в течение 20 минут. В полученную суспензию также при постоянном перемешивании вводили последовательно синтетический полимерный латекс, эмульгатор MP-150, окись кальция. Далее, не прекращая перемешивания, постепенно, по каплям, вводили 30% водный раствор хлорида кальция. Для эффективной диспергации раствора добавляли гидрофобизатор АБР-40, при этом перемешивали раствор на мешалке, обеспечивающей скорость вращения лопасти (11000±300) об/мин в течение 30 мин. Утяжеление раствора производили поэтапно галенитовым утяжелителем при постоянном перемешивании на смесительной установке.
2
После этого измеряли технологические параметры бурового раствора с использованием аттестованных методик измерений при температуре (20±2)°C. Плотность бурового раствора определяли с помощью пикнометра. Электростабильность раствора определяли на анализаторе стабильности эмульсий. Для определения фильтрации использовали фильтр-пресс с площадью зоны фильтрации (45,8±0,6) см, обеспечивающий перепад давления на фильтрующем элементе 0,1 и 0,7 МПа. Реологические свойства определялись при помощи 8-скоростного ротационного вискозиметра, оснащенного коаксиальными измерительными цилиндрами. Стабильность раствора оценивалась при помощи цилиндра стабильности ЦС-2. Влияние высоких температур и давлений на технологические свойства утяжеленного ингибированного раствора определяли с помощью высокотемпературного ротационного вискозиметра с программным управлением, обеспечивающего максимальную температуру в измерительной ячейке 150°C.
В таблице представлены компонентный состав и технологические свойства раствора. Примеры приготовления и испытания составов, приведенных в таблице, аналогичны вышеописанному. Для выявления отличительных признаков заявленного технического результата изменяли массовые соотношения компонентов (примеры 1-6).
Как видно из таблицы, заявляемый утяжеленный инвертно-эмульсионный буровой раствор за счет использования современных многофункциональных реагентов, в том числе материалов на органической основе, обладает оптимальными технологическими свойствами (таблица, поз. 1-3).
3
3
3
1 мин/10 мин
пл
0
Утяжеленный инвертно-эмульсионный буровой раствор при различных массовых соотношениях компонентов при температуре (20±2)°C имеет плотность (ρ) от 1907 до 2142 кг/м, показатель электростабильности (U) - от 354 до 486 В, показатель фильтрации при перепаде давления на фильтрующем элементе 0,7 МПа (Ф) - 0 см/30 мин, статическое напряжение сдвига через 1 минуту и 10 минут покоя (CHC) от 76 до 114 и от 120 до 133 дПа соответственно, пластическую вязкость (η) от 70 до 105 мПа⋅с, предельное динамическое напряжение сдвига (τ) от 120 до 152 дПа, стабильность раствора (Δρ) от 6 до 7 кг/м.
Исследования влияния высоких температур оценивали по изменению технологических показателей заявляемого раствора после термостатирования в вальцевой печи при температуре 120°C в течение 4-х часов. Полученные результаты свидетельствуют об устойчивости бурового раствора к воздействию высоких температур (таблица, поз. 4).
Заявляемый буровой раствор испытан на высокотемпературном вискозиметре. Полученные зависимости основных реологических показателей (1 - пластическая вязкость, 2 - предельное динамическое напряжение сдвига, 3, 4 - статическое напряжение сдвига) при нагреве до 120°C представлены на фиг. 1 и 2. Полученные зависимости позволяют сделать вывод о том, что хотя при повышении температуры до 120°C и происходит некоторое снижение реологических показателей, но они остаются на приемлемом уровне. Это обстоятельство позволяет говорить о термостабильности заявляемого состава.
3
Использование в качестве дисперсионной среды смеси минерального масла ВМГЗ и альфа-олефинов фракции С12-С14 минимизирует негативное влияние на окружающую среду. Добавка синтетического латекса в дисперсионную среду инвертно-эмульсионного бурового раствора позволяет поддерживать оптимальные структурно-реологические свойства раствора, в том числе в условиях высоких температур. Снижение содержания утяжеляющей добавки в буровом растворе достигается за счет использования галенитового утяжелителя плотностью более 7 г/см.
Таким образом, заявляемый состав утяжеленного инвертно-эмульсионного бурового раствора при заявляемом соотношении компонентов в сравнении с прототипом имеет более высокую плотность при меньшем содержании утяжеляющей добавки. Ограниченное содержание твердой фазы в составе утяжеленного инвертно-эмульсионного бурового раствора обеспечивает оптимальные структурно-реологические свойства (показатели) бурового раствора в условиях высоких пластовых давлений и температур, что позволит осуществить безаварийный процесс бурения в данных условиях.
2
CaCl водный раствор - 30%-ный раствор хлорида кальция.