ПОЛИМЕРНАЯ КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ВЫСОКОМИНЕРАЛИЗОВАННЫХ УТЯЖЕЛЕННЫХ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ НА ВОДНОЙ ОСНОВЕ
POLYMERIC COMPOSITION FOR HIGHLY MINERALISED WATER-BASED WEIGHTED DRILLING FLUIDS

Изобретение относится к бурению нефтяных и газовых скважин, а именно к реагентам для химической обработки высокоминерализованных утяжеленных буровых растворов на водной основе, используемых при бурении высококоллоидальных глинистых пород и зон аномально высокого пластового давления (АВПД).
Ассортимент реагентов-стабилизаторов буровых растворов в условиях полиминеральной агрессии не велик. Кроме крахмала, отличающегося низкой устойчивостью к термальной и бактериальной деструкции, известно использование оксиэтилированной целлюлозы (ОЭЦ) (Булатов А.И., Пеньков А.И., Проселков Ю.М. Справочник по промывке скважин. - М.: Недра, 1984. - С.61). В качестве ОЭЦ используется Сульфацелл-2 (марок 400, 800, 2000), выпускаемый в соответствии с ТУ 2231-013-32957739-01. Реагент повышает пластическую вязкость высокоминерализованных утяжеленных буровых растворов на водной основе, увеличивая их несущую способность, и уменьшает проникновение водной фазы в поровое пространство продуктивных пластов.
пл
Недостатком низковязкой (низкомолекулярной) модификации оксиэтилцеллюлозы (марки 400) является высокий показатель высокотемпературной фильтрации (Ф при 100°C) высокоминерализованных утяжеленных буровых растворов на водной основе в условиях полиминеральной агрессии. Высокомолекулярная модификация продукта (марки 2000) обладает допустимым показателем высокотемпературной фильтрации (Ф при 100°C), но пластическая вязкость (η) превышает допустимую более чем в 5 раз, что неприемлемо с точки зрения гидродинамических сопротивлений при промывке скважины.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является изобретение, в котором предлагается использовать гидролизованный цианэтилированный поливиниловый спирт (ЦЭПС), синтезируемый путем взаимодействия акрилонитрила (ГОСТ 11097-86) с поливиниловым спиртом (ГОСТ 10779-78) в водно-щелочной среде, в качестве понизителя показателя фильтрации (Ф при 20°C и Ф при 100°C) глинистых буровых растворов на водной основе с содержанием поливалентных катионов до 10% (АС №732357 от 17.04.78, опубликовано 08.05.80 г.).
Недостатком ЦЭПСа является высокое значение показателя высокотемпературной фильтрации (Ф при 100°C) высокоминерализованных утяжеленных буровых растворов на водной основе с содержанием поливалентных катионов более 10% (результаты исследований представлены в таблице ниже).
Решаемой задачей и ожидаемым техническим результатом является создание полимерной композиции с содержанием поливалентных катионов более 10%, обеспечивающей снижение показателя высокотемпературной фильтрации (Ф при 100°С) высокоминерализованных утяжеленных буровых растворов на водной основе. При этом технологические показатели растворов должны находиться в следующих пределах:
показатель фильтрации при 100°C (Ф при 100°C)
3-5 см<sup>3</sup>
пластическая вязкость при 20°C (η<sub>пл</sub>)
50-60 мПа·с
динамическое напряжение сдвига при 20°C (τ<sub>0</sub>)
60-90 дПа
показатель увлажняющей способности глин (П<sub>0</sub>)
0,01-0,03 м/час,
что в свою очередь позволяет обеспечить исключение дифференциальных прихватов бурового инструмента, продавочные давления в циркуляционной системе не более 14 МПа и устойчивое состояние ствола скважины минимального диаметра (70 мм) к обвало- и кавернообразованию на протяжении не менее 15 суток.
Поставленная задача решается тем, что полимерная композиция для высокоминерализованных утяжеленных буровых растворов на водной основе, включающая гидролизованный цианэтилированный поливиниловый спирт, синтезируемый путем взаимодействия акрилонитрила (ГОСТ 11097-86) с поливиниловым спиртом (ГОСТ 10779-78) в водно-щелочной среде, дополнительно содержит оксиэтилцеллюлозу (ТУ 2231-013-32957739-01) при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
гидролизованный цианэтилированный поливиниловый спирт
80-90
оксиэтилцеллюлоза
10-20
Совместное применение оксиэтилцеллюлозы и гидролизованного цианэтилированного поливинилового спирта обеспечивает получение синергетического эффекта снижения показателя высокотемпературной фильтрации. Синергизм действия наблюдается при суммарном содержании реагентов полимерной композиции в пределах 0,2-0,4% по массе от объема раствора, при этом максимальный эффект достигается при соотношении гидролизованный ЦЭПС:ОЭЦ=8-9: 1-2. Синергизм действия объясняется образованием мозаичной структуры линейного низкомолекулярного цианэтилированного поливинилового спирта и спиралевидных макромолекул высокомолекулярной оксиэтилцеллюлозы, которые в системе с реагентом создают устойчивую пространственную решетку, исключающую внутри и межмолекулярную «сшивку» поливалентными катионами. В этом случае пластическая вязкость и показатель высокотемпературной фильтрации получаемой полимерной композиции не превышают указанных пределов, что подтверждается результатами исследований, представленными ниже.
3
пл
0
1/10
На модельном буровом растворе с содержанием поливалентных катионов более 10% мас., представляющем собой в массовых концентрациях 0,25%-ный раствор биополимера XG Polimer (ТУ 2235-003-97176409-09), обработанный 4% мела МТД-1 (ТУ 5743-001-53346358-98) и утяжеленный комплексной солевой добавкой Юнисалт-А (ТУ2458-002-60370134-2011) до плотности 1,56 г/см, по показателям фильтрации (Ф при 20°C и Ф при 100°C) проводилась оценка стабилизирующего действия новой полимерной композиции. Реологические показатели (пластическая вязкость - η, мПа·с и динамическое напряжение сдвига - τ, дПа) высокоминерализованного утяжеленного бурового раствора на водной основе определялись на вискозиметре типа Fann 35 S. Структурно-механические показатели (статическое напряжение сдвига - СНС, дПа) определялись на приборе СНС-2.
3
3
0
Показатель фильтрации (Ф при 20°C, см/30 мин) оценивался с помощью фильтра-пресса при перепаде давления 0,7 МПа. Показатель высокотемпературной фильтрации (Ф при 100°C, см/30 мин) оценивался с помощью фильтр-пресса высокого давления и высокой температуры при перепаде давления 3,45 МПа и температуре 100°C. Показатель увлажняющей способности глин (П, см/час) определялся в соответствии с РД 39-2-813-82.
пл
0
0
Исследования показали, что добавка Сульфацелл-2 марки 400 к модельному раствору порядка 0,2-0,6% приводит к значительному повышению пластической вязкости (η) и динамического напряжения сдвига (τ) (таблица 1). При этом реагент хорошо снижает показатель высокотемпературной фильтрации (Ф при 100°C) высокоминерализованного утяжеленного бурового раствора на водной основе. В таблице 1 также представлены результаты обработки модельного раствора гидролизованным цианэтилированным поливиниловым спиртом в количестве 0,2-0,4 мас.% от объема высокоминерализованного утяжеленного бурового раствора на водной основе. С увеличением концентрации ЦЭПС наблюдается снижение показателя высокотемпературной фильтрации (Ф при 100°C) в меньшей степени, чем при обработке Сульфацелл-2 марки 400, при этом динамическое напряжение сдвига (τ)  также падает.
Таблица 1
Фильтрационные и реологические показатели модельного бурового раствора со стабилизирующими добавками, вводимыми по отдельности
Добавка, %
Ф при 20°C, см<sup>3</sup>/30 мин
Ф при 100°C, см<sup>3</sup>/30 мин
η<sub>пл</sub> при 20°C, мПа·с
τ<sub>0</sub> при 20°C, дПа
Сульфацелл-2 марки 400
0
14,6
32
55
96
0,05
10,5
23
57
104
ОД
8,3
15,0
69
145
0,2
4,6
9,7
75
234
0,4
2,0
6,2
88
>300
0,6
1,2
4,8
102
>300
ЦЭПС
0,05
13,3
24
53
96
0,1
7,4
12,7
55
74
0,2
3,1
10,4
57
56
0,4
1,3
7,9
68
53
пл
0
При обработке раствора такими же количествами Сульфацелла-2 марки 400 и гидролизованного ЦЭПС в виде готовой заявляемой полимерной композиции показатели фильтрации при 20 и 100°C (Ф при 20°C и Ф при 100°C) снижаются значительно больше (таблица 2), а реологические показатели (пластическая вязкость - η и динамическое напряжение сдвига - τ), влияющие на гидродинамическое сопротивление циркуляции высокоминерализованных утяжеленных буровых растворов на водной основе в скважине, изменяются незначительно. При соотношениях компонентов: гидролизованный ЦЭПС: Сульфацелл-2 от 9:1 до 8:2 наблюдается синергетический эффект, обусловленный механизмом комплексной конформации продукта в растворе соли. При содержании Сульфацелл-2 марки 400 в композиционном реагенте менее 10% или более 20% синергетический эффект не наблюдается. Кроме того, индивидуальная добавка Сульфацелл-2 марки 400 в количестве 0,2% мас. (см. табл.1) не обеспечивает получение дополнительного существенного результата.
Таблица 2
Фильтрационные и реологические показатели модельного бурового раствора со стабилизирующими добавками, вводимыми совместно (содержание полимерной композиции в растворе 0,2% мас.)
Соотношение компонентов в полимерной композиции
Ф при 20°C, см<sup>3</sup>/30 мин.
Ф при 100°C см<sup>3</sup>/30 мин
η<sub>пл</sub> при 20°C, мПа·с
τ<sub>0</sub> при 20°C, дПа
Сульфацелл-2 марки 400
ЦЭПС
0,5
9,5
3,1
5,3
57
60
1
9
1,9
2,9
45
66
2
8
1,6
2,3
48
84
3
7
2,7
5,0
60
106
5
5
3,0
5,6
78
183
7
3
3.6
6,9
88
222
пл
0
пл
0
Как видно из таблицы 2, изменение соотношения компонентов вне оптимальной области приводит либо к быстрому росту реологических показателей (пластической вязкости - η и динамического напряжения сдвига - τ), что негативно сказывается на гидравлике промывки скважины, либо снижает влияние реагента на показатель высокотемпературной фильтрации раствора (Ф при 100°C). При соотношениях гидролизованного ЦЭПС: Сульфацелл-2 от 9:1 до 8:2 снижение показателя высокотемпературной фильтрации (Ф при 100°C) утяжеленного биополимерного бурового раствора на водной основе является значимым по отношению к действию обоих продуктов по отдельности. Кроме того, при указанном соотношении компонентов пластическая вязкость η и динамическое напряжение сдвига τ остаются в приемлемых пределах.
Примеры приготовления полимерных композиций в лабораторных условиях.
Пример 1. К 45 г гидролизованного цианэтилированного поливинилового спирта (25% концентрации) добавляют 1,25 г оксиэтилированной целлюлозы (Сульфацелл-2 марки 400) (соотношение Сульфацелл-2 и ЦЭПС 1:9) и перемешивают на лабораторной мешалке в течение 10 мин.
Пример 2. К 40 г гидролизованного цианэтилированного поливинилового спирта (25% концентрации) добавляют 2,5 г оксиэтилированной целлюлозы (Сульфацелл-2 марки 400) (соотношение Сульфацелл-2 и ЦЭПС 2:8) и перемешивают на лабораторной мешалке в течение 20 мин.
Полимерные композиции, приготовленные по примерам 1 и 2, были испытаны на модельном высокоминерализованном утяжеленном буровом растворе на водной основе в сравнении с прототипом, также приготовленном на модельном буровом растворе.
3
В качестве модельного утяжеленного бурового раствора на водной основе с содержанием поливалентных катионов более 10% мас. использовался в массовых концентрациях 0,25%-ный раствор биополимера XG Polimer, обработанный 4% мела МТД-1 и утяжеленный комплексной солевой добавкой Юнисалт-А до плотности 1,56 г/см. Добавки реагентов, приготовленных по примерам 1 и 2 (раствор №1 и раствор №2 соответственно), составляли 0,2 и 0,4%.
Согласно описанию прототипа, оптимальная суммарная добавка гидролизованного ЦЭПС составляет от 2 до 3% при вводе в минерализованный глинистый раствор. В высокоминерализованных утяжеленных буровых растворах на водной основе добавки реагентов ограничены концентрацией 0,2-0,6%. Поэтому порядок приготовления раствора по прототипу был следующим: в модельный утяжеленный буровой раствор на водной основе с содержанием поливалентных катионов более 10% мас. добавлялся гидролизованный ЦЭПС в количестве 0,2 и 0,4%.
пл
0
0
Сопоставление реологических (пластическая вязкость - η и динамическое напряжение сдвига τ) фильтрационных (Ф при 20°C и Ф при 100°C) показателей и показателей увлажняющей способности глин (П), полученных полимерных композиций с прототипом, приведено в таблице 3.
Таблица 3
Сопоставление показателей модельного бурового раствора без добавок с растворами с введенным прототипом и с введенными полимерными композициями
Наименование раствора
Конц. реагента, % мас.
Технологические параметры
η<sub>пл</sub>, мПа·с
τ<sub>0</sub>, дПа
CHC<sub>1/10</sub>, дПа
Ф при 20°C, см<sup>3</sup>/30 мин
Ф при 100°C, см<sup>3</sup>/30 мин
П<sub>0</sub>, м/час
Модельный р-ор
-
55
96
12/18
14,6
32
0,013
Р-ор с прототипом
0,2
57
56
14/18
3,0
10,4
0,012
Р-ор с прототипом
0,4
68
53
9/15
1,3
7,9
0,011
Раствор №1
0,2
55
66
15/18
2,5
3,6
0,012
Раствор №1
0,4
62
96
18/24
1,1
2,8
0,010
Раствор №2
0,2
56
84
15/18
2,4
2,9
0,010
Раствор №2
0,4
64
126
18/24
0,9
2,3
0,008
3
3
3
3
Из таблицы 3 видно, что показатели растворов №1 и №2 при введении полимерной композиции 0,2% мас. остаются в допустимых пределах. Пластическая вязкость растворов №1 и №2 соответственно составляет 55 и 56 мПа·с, динамическое напряжение сдвига - 66 и 84 дПа. Разность показателей статического напряжения сдвига растворов №1 и №2 за 1 и 10 мин составляет 3 дПа, что сопоставимо с прототипом (при концентрации гидролизованного ЦЭПС 0,2% мас.) - 4 дПа. Показатель фильтрации растворов №1 и №2 при 20°C соответственно  2,5 и 2,4 см за 30 мин, показатель фильтрации при 100°C - 3,6 и 2,9 см за 30 мин, что существенно ниже показателей высокотемпературной фильтрации модельного раствора  32 см и раствора с прототипом (при концентрации гидролизованного ЦЭПС 0,2% мас.) - 10,4 см. Показатель увлажняющей способности глин растворов №1 и №2, соответственно - 0,012 и 0,010 м/час.