Буровой раствор для строительства подводных переходов трубопроводов методом наклонно-направленного бурения
DRILLING MUD FOR CONSTRUCTION OF UNDERWATER PIPELINE CROSSINGS BY MEANS OF DIRECTIONAL DRILLING METHOD

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к буровым растворам, используемым в области трубопроводного транспорта, в частности, при строительстве наклонно-направленных скважин подводных переходов магистральных трубопроводов, и предназначенным для укрепления несцементированных грунтов.
Уровень техники
Из уровня техники известен «Буровой раствор» (патент РФ на изобретение RU 2222566 С1, опубликован: 27.01.2002, МПК С09K 7/02) на основе водомасляной эмульсии, включающий бентонитовый глинопорошок (30-75), кальцинированную соду (1-2,5), каустическую соду (0,2-0,7), карбоксиметилцеллюлозу (КМЦ) низкой вязкости (2,5-6,8), в качестве многофункциональных ПАВ - ИКЛУБ (3-9) и ИКД (0,5-3,0), в качестве пеногасителя - ИКДЕФОМ (0,1-0,25), в качестве полимера - акриламидсодержащий полимер - анионный полиэлектролит ИКСТАБ или амфолитный полиэлектролит ГРИНДРИЛ (2,6-4,5), остальное - вода. Основными недостатками известного раствора являются высокое содержание глинопорошка, большой расход химреагентов, а следовательно, высокая стоимость и низкая мобильность при управлении его свойствами.
Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению по составу и технологической сущности является «Буровой раствор для строительства наклонно-направленных скважин» (патент РФ на изобретение RU 2369625 С2, опубликован: 10.10.2009, МПК С09K 8/12), включающий водорастворимые полимеры: высокой молекулярной массы (0,07-0,2%), низкой молекулярной массы (0,2-0,5%), биополимер (0,1-0,2%); а также каустическую соду (0,02-0,05%), формиат натрия (0,5-0,7%), вспомогательную добавку - бактерицид (0,02-0,1%) и воду. Данный буровой раствор имеет низкую способность к фильтрации, что не позволяет буровому раствору проникать и закреплять несцементированные грунты.
Сущность изобретения
Задачей заявленного изобретения является получение состава бурового раствора, реологические свойства которого позволяют ему проникать в несцементированные грунты, и при использовании которого обеспечивается получение скважины с устойчивыми стенками в зоне залегания несцементированных грунтов.
Техническим результатом заявленного изобретения является обеспечение возможности укрепления несцементированных грунтов и повышение способности выноса бурового шлама.
Заявляемый технический результат достигается за счет того, что в состав бурового раствора для строительства подводных переходов трубопроводов методом наклонно-направленного бурения входят обработанный формиатом или ацетатом натрия диспергированный в водном растворе кальцинированной соды бентонитовый глинопорошок и водорастворимые полимерные соединения при следующем соотношении компонентов, мас. %:
- вода - 92,8-95,6;
- кальцинированная сода - 0,1-0,2;
- бентонитовый глинопорошок - 4-6;
- формиат натрия - 0,2-0,7;
- водорастворимые полимерные соединения - 0,1-0,3.
с-1
Заявленное изобретение направлено на получение требуемых фильтрационных свойств бурового раствора, которые определяются возможностью создания сплошной среды в процессе движения по проницаемым каналам. Получение требуемых фильтрационных свойств бурового раствора становится возможным при обеспечении у него значения коэффициента пластичности (далее - КП) бурового раствора в диапазоне от 800 до 3000. Указанные значения коэффициента пластичности обеспечиваются при реализации настоящего изобретения за счет получения бурового раствора с требуемыми реологическими характеристиками и заявленным компонентным составом.
В составе заявляемого бурового раствора используются следующие соединения:
- кальцинированная сода - 0,1-0,2 мас. %. Для целей настоящего изобретения может быть использована кальцинированная сода, соответствующая ГОСТ Р 5100-95 «Сода кальцинированная техническая. Технические условия», которая используется для увеличения рН и диспергирования бурового раствора при приготовлении бурового раствора;
- бентонитовый глинопорошок - 4-6 мас. %, где в качестве глины может быть использован бентонитовый глинопорошок марок Б-1 - Б-3 по ГОСТ 25795-83 «Сырье глинистое в производстве глинопорошков для производства буровых растворов», который является структурообразователем коллоидной фазы бурового раствора;
- формиат натрия - 0,2-0,7 мас. %, который может быть использован в одном из вариантов настоящего изобретения (в соответствии с ТУ 2432-008-50685486-2004), и способен выполнять функцию усилителя структурообразования и взаимодействия между собой водорастворимого полимера и глинистых частиц из состава диспергированного глинопорошка;
- ацетат натрия - 0,2-0,7 мас. %, который может быть использован в другом варианте настоящего изобретения (в соответствии с ТУ 2432-043-07510508-2003), и способен выполнять функцию усилителя структурообразования и взаимодействия между собой водорастворимого полимера и глинистых частиц из состава диспергированного глинопорошка при следующем соотношении водорастворимых полимеров - 0,1-0,3 мас. %.
В качестве водорастворимых полимерных соединений могут быть использованы, полианионная целлюлоза, карбоксиметилцеллюлоза, полиакриламиды высокой молекулярной массы, различные гидролизованные сополимеры полиакриламида и др., которые обеспечивают связывание и последующее структурирование воды в растворе с приданием буровому раствору требуемых реологических свойств и обеспечением требуемой водоотдачи.
В частных случаях реализации заявленного изобретения в качестве водорастворимых полимеров могут быть использованы:
- натриевая карбоксиметилцеллюлоза низкой вязкости (CMC-LV), которая обеспечивает контроль водоотдачи при незначительном увеличении вязкости раствора, изолирует сланцы, предотвращая их набухание и разрушение;
- карбоксиметилцеллюлоза высокой вязкости (CMC HV) - служит в качестве загустителя и стабилизатора глинистых суспензий;
- полианионная целлюлоза высокой вязкости (РАС R) - обеспечивает контроль потери жидкости для бурового раствора;
- полианионная целлюлоза низкой вязкости (РАС L) - служит для контроля водоотдачи и ингибирования глин в буровых растворах на водной основе;
- анионная эмульсия высокомолекулярного частично гидролизованного полиакриламида (РОСФЛОК КВП) - используется в качестве стабилизирующей добавки для воздействия на выбуренную породу и стенки ствола скважины, образует гелеобразные структуры в небольших трещинах, образующихся в стенках ствола в ходе бурения, тем самым, препятствуя проникновению водной фазы в глубь пласта;
- низкомолекулярный полиакрилат натрия (РОСФЛОК ПВ) - служит для стабилизации и снижения водоотдачи бурового раствора, обеспечивает устойчивость ствола скважины, стабильность бурового раствора, позволяет регулировать реологию бурового раствора.
Буровой раствор в соответствии с заявленным изобретением получают следующим образом. В воде растворяют кальцинированную соду, после ее растворения в полученной дисперсионной среде диспергируют бентонитовый глинопорошок. После прохождения процесса диспергирования глинопорошка и прохождения процессов гидратации глины, полученная суспензия обрабатывается требуемым количеством формиата или ацетата натрия. После окончания процесса обработки глинистой суспензии натрия указанными солями органических кислот в состав раствора вводятся водорастворимые полимеры из условия достижения требуемых реологических и фильтрационных свойств.
После получения однородного раствора определяют его свойства. Все измерения параметров буровых растворов допускается проводить по методикам ISO 10414-1:2008. Параметры полученных буровых растворов приведены в табл. 1.
Эффективность предлагаемых решений обусловлена следующим. Отличительной особенностью предлагаемого решения является применение в составе раствора натрия солей муравьиной и уксусной кислот. Размер их анионов составляет: ион формиата - 3,16А, ион ацетата - 4,48А, т.е. являются крупноразмерными ионами. В силу этого подобные соли могут вести себя как чисто ионные соединения, а также они способны наполнять пространственные гидратные структуры, созданные на основе водородных связей с образованием краун-эфиров, которые относятся к соединениям включения. В области значительных концентраций соли муравьиной и уксусной кислоты ведут себя в воде как чисто ионные соединения и придают воде свойства ионно-молекулярного вещества. Однако при наличии в воде пространственных структур на основе водородных связей они способны их заполнять, подчиняясь действию не только электрических сил, но и дисперсионных. При этом образуются краун-эфиры на основе структурированной воды и анионов муравьиной или уксусной кислоты, заполняющих внутренние структурные пустоты воды, ориентированной водородными связями. Устойчивость получаемых структур определяется степенью заполнения сформированных структурных пустот крупноразмерными ионами.
Так при связывании глиной воды формируются пространственные структуры, элементы которых (молекулы воды) соединены между собой водородными связями. Об этом свидетельствует появление у глинистых растворов статического и динамического напряжения сдвига. Таким образом, ионы формиата или ацетата способны заполнять внутреннее пространство подобных структур с формированием краун-эфиров.
Особенностью краун-эфиров является то, что на их структуру со стороны крупноразмерных ионов действуют одновременно электрические и дисперсионные силы. Это способствует одновременно упрочнению водородных связей, но и сохранению их пластичности из-за действия электрических сил. Т.е. ионы формиата и ацетата способны выполнять роль некоторого регулятора прочности водородных связей между компонентами бурового раствора, т.е. являться регулятором его реологических параметров.
Водорастворимые полимеры, растворяясь в воде и в объеме бурового раствора, также, как и глинистые частицы, структурируют воду с формированием пространственных структур на основе водородных связей. Однако в зависимости от своей молекулярной массы и размера они формируют структуры с разным уровнем дискретности. Это находит отражение в показателях пластической вязкости (ПВ) и динамического напряжения сдвига (ДНС). Чем выше показатель пластической вязкости, тем выше уровень дискретности структуры раствора. Дополнительная обработка глинистого раствора водорастворимыми полимерами в присутствии ионов формиата и ацетата способствует снижению уровня дискретности структуры раствора и выравниванию прочности водородных связей между всеми его компонентами. Подобное выравнивание прочности водородных связей между компонентами раствора обеспечивает получение требуемых показателей коэффициента пластичности и обеспечения требуемых фильтрационных свойств.
Таким образом, сохранение поляризованности водородных связей в краун-эфирах в значительной степени снижает индукционный период для образования водородных связей после их разрушения, например, в процессе движения раствора. Это способствует приданию водородным связям большей гибкости, и увеличению их способности к быстрому восстановлению после произошедшего разрушения, тем самым способствуя сохранению эксплуатационных свойств применяемых буровых растворов. Поэтому именно в присутствии 0,2-0,7 мас. % формиата или ацетата натрия, введенного в состав раствора в момент формирования структур на основе водородных связей, обеспечивается быстрое и эффективное формирование бурового раствора с требуемыми технологическими параметрами, что подтверждается данными проведенных испытаний (табл. 1).
Изобретение поясняется с помощью табл. 1, в которой приведены реологические параметры буровых растворов и состояние образцов песка средней крупности после фильтрации несцементированных грунтов. Составы растворов приведены в прилагаемой табл. 1. Состав растворов приведен в мас. %, что соответствует количеству реагентов в граммах, необходимых для приготовления 100 г. раствора.
Результатом проделанных исследований, отраженных в п. 3-17 табл. 1, было прохождение процесса фильтрации в проницаемые каналы несцементированного грунта с сохранением сплошности структуры бурового раствора и насыщением порового пространства глинистой составляющей с закреплением образцов песка средней крупности. Поддержание высоких значений коэффициента пластичности увеличивает транспортирующую способность потока.
Таким образом, при осуществлении заявленного изобретения достигается укрепление несцементированных грунтов и повышение способности выноса бурового шлама.
В таблице вода – остальное.