СПОСОБ РАЗРУШЕНИЯ И УТИЛИЗАЦИИ ОТРАБОТАННОГО ИНВЕРТНО-ЭМУЛЬСИОННОГО БУРОВОГО РАСТВОРА
METHOD OF DECOMPOSING AND RECYCLING SPENT INVERT EMULSION DRILLING MUD

Изобретение относится к области бурения нефтяных и газовых скважин и позволяет решить проблему безотходной технологии бурения скважин при использовании инвертно-эмульсионных буровых растворов за счет выделения качественной олеофильной (неводной) основы отработанного раствора, пригодной для повторного использования при приготовлении технологических жидкостей различного назначения.
Широкое распространение в настоящее время при бурении скважин находят инвертно-эмульсионные буровые растворы (ИЭР). Это связано с их уникальными свойствами, высокой эффективностью и известными преимуществами перед буровыми растворами на водной основе: сохранение естественной продуктивности пласта, высокая термостойкость, инертность по отношению к неустойчивым глинистым и соленосным отложениям, низкая диспергирующая способность в отношении к выбуренным породам, устойчивость к проявлениям рапы и кислых газов, высокие антикоррозионные свойства. Рост объемов применения ИЭР объясняется постоянно возрастающими требованиями к качеству вскрытия продуктивных пластов - наиболее ответственному этапу в цикле строительства скважины.
В последнее время в нефтегазовой промышленности, в том числе, и при строительстве скважин, делается акцент на экологическую безопасность проводимых работ. Прогрессивным направлением в этом плане является комплексный подход в решении проблемы разработки и внедрения технологических жидкостей, включающий разработку технологии их последующей утилизации с целью минимизации техногенной нагрузки на окружающую природную среду. При создании и внедрении ИЭР актуальность этого вопроса многократно возрастает, при этом наряду с экологическим аспектом решающей становится и экономическая заинтересованность в возращении в производственный цикл олеофильной основы раствора, являющейся дорогостоящим товарным продуктом. Поэтому выделение качественной олеофильной основы отработанного раствора, пригодной для повторного использования при приготовлении технологических жидкостей различного назначения, является с технологической и экономической точек зрения оптимальным способом утилизации отработанных инвертно-эмульсионных буровых растворов.
Известны способы разрушения водонефтяных эмульсий (Позднышев Г.Н. Стабилизация и разрушение нефтяных эмульсий. М.: Недра, 1982, с.50-63), предназначенные для разрушения эмульсий, стабилизированных природными парафиновыми и асфальтосмолистыми компонентами нефти. В отношении инвертно-эмульсионных буровых растворов, стабилизаторы и эмульгаторы которых имеют другую химическую природу, эффективность указанных известных способов не достаточно высока.
Также известен способ разрушения обратных нефтяных эмульсий методом обращения фаз, когда эмульсию «вода в масле» диспергируют в избытке горячей водной фазы с образованием эмульсии «масло в воде», скорость расслоения которой на нефтяную и водную фазу значительно выше по сравнению с исходной эмульсией (Сельский Л.А. Об основных закономерностях образования и разложения эмульсий и простейшем методе деэмульсации нефти. Нефтяное хозяйство, 1954. №4. с.61-65).
Недостатками известного способа являются большой расход горячей воды и высокое остаточное содержание воды в нефтяной (олеофильной) фазе (более 10%).
Известен способ утилизации отработанного бурового раствора на нефтяной основе (заявка РФ №2005107570, кл. С09К 3/32, от 2006 г.), включающий его отверждение посредством введения в него торфа с последующим сжиганием полученного продукта.
Основным недостатком этого известного способа является нецелесообразность его использования с технологической и экономической точек зрения. В технологическом плане при указанном способе утилизации требуется использование дополнительного оборудования для отверждения и сжигания отходов. С экономической точки зрения недостатком этого способа является то, что неводная (олеофильная) основа ИЭР, являющаяся дорогостоящим товарным продуктом, полностью выводится из технологического цикла. Вместе с тем, ИЭР должны являться жидкостями многоразового использования, что во многих случаях обосновывает экономическую целесообразность их применения.
Известен также способ облегчения утилизации водно-масляных (В/М) инвертных эмульсий (патент РФ №2193589, кл. С09К 7/06, от 2002 г.), суть которого заключается в том, что посредством выбора и согласования эмульгатора с масляной фазой инвертной эмульсии обеспечивают температурорегулируемую фазовую инверсию (ТФИ) В/М-инвертной фазы в М/В-эмульсионную фазу в температурной области ниже используемых температур В/М-инвертных эмульсий. Благодаря выбору подходящих эмульгаторов/эмульгаторных систем в каждом случае устанавливается температура фазовой инверсии, чтобы циркулирующая в процессе бурения буровая жидкость перешла в желаемое состояние эмульсии, то есть при выходе бурового раствора из скважины на поверхность, благодаря остыванию и снижению температуры раствора ниже ТФИ, происходит фазовая инверсия промывочного раствора, и благодаря этому осуществляется облегченная переработка отделенной части. Разогрев, связанный с циркулирующей подачей раствора к забою скважины, устанавливает желаемую высокую температурную область выше ТФИ и тем самым обеспечивает инертность по отношению к диспергированной водной фазе бурового раствора. Целесообразно при этом, чтобы верхняя граница области фазовой инверсии лежала минимум на 3-5°С ниже рабочих температур ИЭР в области разработки конкретного месторождения.
Недостатком этого способа является то, что с возможным незапланированным изменением температуры окружающей среды в условиях конкретного месторождения степень разрушения обратной эмульсии и перехода ее в эмульсию прямого типа может снизиться практически до нуля и, как следствие, не удастся достичь высокой эффективности способа утилизации ИЭР. Кроме того, сложность подбора подходящих эмульгаторных систем и возможное несоответствие проектных и реальных температурных градиентов в стволе скважины может привести к необратимому нарушению электростабильности и других технологических параметров ИЭР.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ утилизации отработанных буровых растворов на нефтяной и водной основе (заявка РФ №93039203, кл. С09К 7/00, от 1996). Сущность известного способа заключается во введении в отработанный буровой раствор добавки, при этом в качестве добавки выступает отработанный буровой раствор на нефтяной основе, содержащий дизельное топливо, высокоокисленный битум, кубовые остатки синтетических жирных кислот, каустическую соду. Отработанный раствор на водной основе представляет собой глинистую суспензию, стабилизированную реагентами КМЦ или ГКЖ или нестабилизированную. При смешении их в массовом соотношении 1:2,5-1:10 образуется буровой раствор с высокими смазывающими свойствами, который используется для дальнейшего бурения.
Основным недостатком указанного способа утилизации является узкая область его использования, поскольку способ предлагается для конкретных типов буровых растворов. К недостаткам относится также то, что известный способ не предусматривает возможность выделения качественной олеофильной фазы, пригодной для повторного использования при приготовлении технологических жидкостей различного назначения. Реализацию известного способа утилизации невозможно осуществлять непосредственно на буровой, где образуется отработанный буровой раствор на неводной основе, используемый, как правило, на конечной стадии бурения при вскрытии продуктивных пластов. При этом высокие транспортные расходы, связанные с вывозом всего объема отработанного бурового раствора на нефтяной основе, особенно при разработке отдаленных месторождений, не обеспечивают технико-экономическую эффективность внедрения данного способа утилизации.
Технический результат, достигаемый при осуществлении заявляемого изобретения, заключается в повышении степени разрушения отработанных инвертно-эмульсионных буровых растворов за счет снижения их агрегативной устойчивости и увеличения объема выделенной олеофильной фазы, и в повышении эффективности способа их утилизации за счет обеспечения возможности выделения качественной олеофильной фазы, то есть пригодной для повторного использования при приготовлении технологических жидкостей различного назначения.
Дополнительным техническим результатом является простота способа, упрощение реализации, который может быть осуществлен непосредственно на буровой, как в процессе, так и по окончании бурения по мере накопления избыточных объемов отработанного бурового раствора с использованием стандартного комплекта оборудования по очистке бурового раствора.
Указанный технический результат достигается предлагаемым способом разрушения и утилизации отработанного инвертно-эмульсионного бурового раствора, включающим введение добавок, при этом новым является то, что в качестве добавок используют реагент на основе смеси высших диоксановых спиртов, раствор коагулянта - водный раствор сульфата алюминия с концентрацией 100-350 г/л, раствор смеси неионогенных и ионогенных поверхностно-активных компонентов в органическом растворителе, при этом вышеуказанные добавки вводят в отработанный буровой раствор последовательно, и после ввода каждой добавки смесь перемешивают в течение не менее 0,5 часа, далее смесь отработанного бурового раствора и добавок выдерживают не менее 6 часов, производят последующее центрифугирование и отделившуюся при этом олеофильную фазу направляют на повторное использование, причем указанные добавки берут в следующем соотношении на 100 об.ч. отработанного бурового раствора: реагент на основе смеси высших диоксановых спиртов 0,5-1,5; указанный раствор коагулянта 0,5-5,0; раствор смеси неионогенных и ионогенных поверхностно-активных компонентов в органическом растворителе 0,3-1,5.
В качестве реагента на основе смеси высших диоксановых спиртов используют Бурфлюб-БТ, или ДСПБ-БС, или флотореагент-оксаль марок Т-66, Т-92, Т-94.
При этом в качестве раствора смеси неионогенных и ионогенных поверхностно-активных компонентов в органическом растворителе используют деэмульгаторы водонефтяных эмульсий марок Пента, марок 491 М и 494, Бейкер Петролайт RP-6522, Кемеликс-3319, Дисолван 4411.
Центрифугирование производят при режиме не менее 2500 об/мин.
Приведенный технический результат обеспечивается за счет следующего.
Механизм разрушения предлагаемым способом отработанных ИЭР на качественную олеофильную и водную фазы заключается в следующем. Благодаря правильно подобранному составу добавок при их заявляемом количественном соотношении и предлагаемому способу их ввода в отработанный ИЭР, происходит снижение кинетической и агрегативной устойчивости эмульсии, коалесценция капель дисперсной водной фазы и расслоение термодинамически неустойчивой системы вследствие разности плотностей на качественную «чистую» олеофильную фазу и водную среду с твердыми наполнителями и выбуренным шламом.
Реагент на основе смеси высших диоксановых спиртов оказывает дестабилизирующее действие на эмульсию II рода «вода в масле», которой и является отработанный ИЭР. Являясь эмульгаторами преимущественно прямых эмульсий, указанные спирты способствуют образованию в системе множественной микроэмульсии, а именно смеси эмульсий I и II рода. Как показали исследования, они снижают электростабильность ИЭР до критического значения (менее 100 В), снижая кинетическую и агрегативную устойчивость системы, вследствие чего активизируется процесс слипания глобул водной фазы при столкновении их друг с другом или границей раздела фаз, и система становится агрегативно неустойчивой.
Водный раствор сульфата алюминия, вводимый в систему последовательно после дестабилизирующего действия смеси высших диоксановых спиртов, оказывает коагулирующее действие на глобулы дисперсной фазы и способствует их слипанию, возможно, за счет нарушения двойного электрического слоя на поверхности глобул, который до этого препятствовал слиянию капель эмульсии и сближению их на расстояние действия молекулярных сил притяжения.
Действие на отработанный ИЭР вводимого далее раствора смеси неионогенных и ионогенных поверхностно-активных компонентов в органическом растворителе (далее ПАВ) связано с разрушением и адсорбционным вытеснением молекулами указанного ПАВ комплексного эмульгатора-стабилизатора ИЭР с границы раздела фаз и полным нарушением стабильности системы.
Таким образом, смесь высших диоксановых спиртов и водный раствор сульфата алюминия выполняют роль дополнительных активизирующих добавок, создающих условия, обеспечивающие эффективное действие на систему деэмульгатора водонефтяных эмульсий.
Выдерживание системы в течение не менее 6 часов для полного протекания процесса деэмульгирования и дальнейшее центрифугирование, преимущественно, при режиме не менее 2500 об/мин, способствующее разделению компонентов эмульсии по плотностям благодаря действию центробежных сил, улучшают результаты процесса разрушения отработанных ИЭР и позволяют получать качественную олеофильную фазу, пригодную для повторного использования.
Таким образом, только благодаря особому порядку ввода компонентов при заявленном их соотношении и при определенном порядке их ввода, обеспечивается получение указанного технического результата.
Предлагаемый способ разрушения и утилизации инвертно-эмульсионного бурового раствора был испытан в лабораторных условиях. При испытаниях были использованы следующие вещества:
Реагент на основе смеси высших диоксановых спиртов:
- Бурфлюб-БТ, ТУ 2452-018-40912231-2003;
- ДСПБ-БС, ТУ 2452-002-52412574;
- Флотореагент-оксаль марки Т-92, ТУ 2452-029-05766801-94;
Коагулянт:
- Сульфат алюминия технический очищенный, ГОСТ 12966-85;
Раствор смеси неионогенных и ионогенных поверхностно-активных компонентов в органическом растворителе:
- Пента-491 М, ТУ 2257-038-40245042-2002;
- Бейкер Петролайт RP-6522, по импорту;
- Kemelix-3319, ТУ 2483-004-24084384-00;
- Дисолван 4411, по импорту;
- Техническая вода.
Согласно заявляемому способу разрушения и утилизации отработанного ИЭР осуществляют следующие операции в нижеуказанной последовательности:
1. В емкость с отработанным ИЭР, оборудованную перемешивателем, вводят реагент на основе смеси высших диоксановых спиртов в количестве 0,5-1,5 об.ч. на 100 об.ч ИЭР. Раствор перемешивают в течение 0,5-2 часов.
2. Добавляют сульфат алюминия в виде водного раствора (концентрация 100-350 г/л) в количестве 0,5-5 об.ч. Оставляют перемешиваться в течение 0,5-2 часов.
3. Далее вводят в смесь раствор смеси неионогенных и ионогенных поверхностно-активных компонентов в органическом растворителе (реагент-деэмульгатор водонефтяных эмульсий), предпочтительно RP-6522, Пента марок 491 М или 494, Кемеликс-3319, Дисолван 4411 в количестве 0,3-1,5 об.ч, перемешивают в течение 1-2 часов.
4. Полученную смесь ИЭР и добавок оставляют на окончание протекания реакции деэмульгирования на 6-10 часов.
5. При помощи агрегата АЦН-320 или своим насосом откачивают отделившееся после отстоя масло (олеофильную фазу) в отдельную емкость.
6. Оставшуюся эмульсию разделяют на отдельные фазы методом центрифугирования при скорости вращения барабана, преимущественно, не менее 2500 об/мин.
7. Выходящую после центрифуги масляную фазу направляют в емкость с маслом.
8. Выделенную масляную фазу хранят, исключая попадания осадков и солнечных лучей, в дальнейшем используют повторно для приготовления технологических жидкостей на неводной основе в новом технологическом цикле.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется следующими примерами.
Пример 1
2
В лабораторный стакан помещают 100 мл отработанного инвертно-эмульсионного бурового раствора, вливают в него при перемешивании 1 мл Бурфлюб-БТ, смесь перемешивают в течение 0,5 часа, после чего добавляют 5 мл водного раствора сульфата алюминия с концентрацией основного вещества 20 г/100 мл НО и перемешивают в течение 0,5 часа, далее вливают 0,5 мл Пента-491 М. После перемешивания в течение 0,5 часа оставляют смесь на протекание реакции деэмульгирования на 10 часов. После этого смесь центрифугируют на лабораторной центрифуге MPW-340 в течение 2 мин при 3000 об/мин. При этом получают следующие показатели разрушения отработанного ИЭР об.% от исходного раствора: олеофильная фаза 52, водная фаза 29, промежуточный слой неразрушенной эмульсии 19.
Пример 2
В лабораторный стакан помещают 100 мл отработанного инвертно-эмульсионного бурового раствора, вливают в него при перемешивании 1 мл флотореагент-оксаль марки Т-92, смесь перемешивают в течение 0,5 часа, после чего добавляют 5 мл водного раствора сульфата алюминия с концентрацией основного вещества 20% и перемешивают в течение 0,5 часа, далее вливают 1,5 мл Дисолван 4411. После перемешивания в течение 0,5 часа оставляют смесь на протекание реакции деэмульгирования на 8 часов. После этого смесь центрифугируют на лабораторной центрифуге MPW-340 в течение 3 мин при 2500 об/мин. При этом получают следующие показатели разрушения отработанного ИЭР, об.% от исходного раствора: олеофильная фаза 53,5, водная фаза 29,8, промежуточный слой неразрушенной эмульсии 16,7.
Разрушение отработанного ИЭР путем введения добавок других марок и с другим количественным соотношением производят аналогичным образом.
В таблице приведены данные по показателям разрушения отработанного ИЭР заявляемым способом.
В лабораторных условиях исследовали следующие параметры процесса разрушения отработанного ИЭР:
- электростабильность ИЭР после введения добавок (ЭС, В) замеряли на анализаторе стабильности эмульсий фирмы OFITE;
- объем фаз после разделения (% от объема исходного ИЭР);
у
y
0
0
0
- агрегативную устойчивость ИЭР (А, %) рассчитывали по следующей формуле (согласно Позднышев Г.Н. Стабилизация и разрушение нефтяных эмульсий. М.: Недра. 1982): A=[(W-W)/W]·100, где W - общее содержание дисперсной фазы, W - количество дисперсной фазы, расслоившейся в процессе центрифугирования.
Данные, приведенные в таблице, показывают, что показатели разрушения отработанного ИЭР с использованием комплекса добавок согласно заявляемому способу (опыты №3, 5, 7, 9, 12 таблицы) более чем в 2 раза превышают показатели разрушения ИЭР с использованием только реагентов-деэмульгаторов обратных эмульсий (опыты №2, 4, 6, 8, 10 таблицы) по объему промежуточного неразрушенного слоя эмульсии, а также значительно превышают показатели расслоения фаз по сравнению с использованием заявляемых добавок по отдельности, а не согласно предлагаемому способу (опыты №11, 13 таблицы).
Технико-экономические преимущества заявляемого способа разрушения ИЭР по сравнению с известным способом разрушения обратных эмульсий реагентами-деэмульгаторами водно-нефтяных эмульсий, используемыми в данном случае по их прямому назначению, заключаются в следующем:
заявляемый комплекс вводимых добавок оказывает дестабилизирующее действие на систему ИЭР, снижая электростабильность (ниже 45 В) и агрегативную устойчивость (ниже 45%) ИЭР и, тем самым, облегчая расслоение эмульсии на отдельные фазы;
- заявляемый способ разрушения и утилизации ИЭР позволяет выделить и в дальнейшем использовать до 75-97% качественной олеофильной фазы от ее содержания в исходном растворе; использование реагентов-деэмульгаторов позволяет выделять только 23-72% олеофильной фазы, что снижает экономическую целесообразность разрушения ИЭР на отдельные фазы с целью повторного использования дорогостоящей неводной основы раствора;
- с использованием заявляемого способа разрушения объем неизбежно остающегося неразрушенного промежуточного слоя эмульсии можно снизить до 12,5-26% от объема исходной эмульсии, в то время как при разрушении ИЭР реагентами-деэмульгаторами без заявляемого комплекса добавок почти половину от исходного эмульсионного раствора не удается подвергнуть разрушению и использовать для последующей утилизации.
Показатели разрушения отработанного инвертно-эмульсионного бурового раствора
№ п/п
Количество вводимой добавки, об.ч на 100 об.ч отработанного бурового раствора
Параметры центрифугирования время/ об/мин
ЭС, В
Объем фаз после центрифугирования, % от объема исходной эмульсии
A<sub>y</sub>, %
Объем выделенной олеофильной фазы (% от исходного содержания∗)
Раствор смеси неионогенных и ионогенных поверхностно-активных компонентов в органическом растворителе
Al<sub>2</sub>(SO<sub>4</sub>)<sub>3</sub>
Реагент на основе смеси высших диоксановых спиртов
олеофил. фаза
водная среда
неразрушенный промежуточный слой эмульсии
1
-
-
-
2 мин/3000
247
3,7
-
96,3
100
6,7
2
0,5<sup>1</sup>
-
-
2 мин/3000
65
33
13
54
71,1
60,0
3
0,5<sup>1</sup>
0,5
1,0<sup>5</sup>
2 мин/3000
32
52
29
19
35,5
94,5
4
1,5<sup>2</sup>
-
-
3 мин/2500
83
40
15
45
66,7
72,7
5
1,5<sup>2</sup>
1,0
0,5<sup>6</sup>
3 мин/2500
41
53,5
29,8
16,7
33,7
97,3
6
0,5<sup>3</sup>
-
-
2 мин/2500
58
40,0
9,3
50,7
79,3
72,7
7
0,3<sup>3</sup>
1,0
1,0<sup>5</sup>
2 мин/2500
39
48,9
25,0
26,1
44,4
88,9
8
1,0<sup>4</sup>
-
-
3 мин/3000
81
12,5
10,0
77,5
77,8
22,7
9
1,0<sup>4</sup>
1,0
1,0<sup>7</sup>
3 мин/3000
35
41,2
43,5
15,3
3,30
74,9
10
1,2<sup>3</sup>
-
-
3 мин/3000
162
12,5
-
87,5
100
22,7
11
1,2<sup>3</sup>
3
-
3 мин/3000
89
12,5
18,8
68,7
58,2
22,7
12
1,2<sup>3</sup>
4
1,5<sup>5</sup>
3 мин/3000
41
50
37,5
12,5
16,7
90,9
13
-
4
1,5<sup>5</sup>
3 мин/3000
93
37,5
25
37,5
44,4
68,2
Приложение 1-Пента 491М; 2-Дисолван 4411; 3-RP-6522; 4-Kemelix 3319; 5 - Бурфлюб-БТ; 6 - Флотореагент-оксаль; 7 - ДСПБ-БС; ∗исходное содержание олеофильной фазы в инвертно-эмульсионном буровом растворе 55%.