Новые композиционные полимерные реагенты для буровых растворов, используемых при бурении нефтегазовых скважин

АННОТАЦИЯ

Разработаны оптимальные составы и технологии получения многофункциональных композиционных химических реагентов, позволяющих получать стабилизированные облегченные, усредненные и утяжеленные буровые растворы для использования при бурении нефтяных и газовых скважин.

Благодаря хорошей растворимости в воде разработанных композиционных реагентов, проявлению гидрофобности и высокого смазывающего эффекта, а также хорошему физико-химическому взаимодействию с компонентами установлено снижение коэффициента фильтрации и образование корки, что в свою очередь, обеспечивает высокий стабилизирующий эффект на свойства облегченных, усредненных и утяжеленных буровых растворов.

Улучшение качества улавливания шлама из-под долота, увеличение механической скорости бурения до 10-15%, увеличение вскрытия продуктивных горизонтов на нефть и газ до 30-35% и, наконец, показаны обеспечение экономической эффективности и экологической безопасности.

ABSTRACT

The optimal compositions and technologies for producing multifunctional composite chemical reagents have been developed, which allow obtaining stabilized lightweight, averaged and weighted drilling fluids for use in drilling oil and gas wells.

Due to the good solubility in water of the developed composite chemicals, the manifestation of hydrophobicity and a high lubricating effect, as well as good physical-chemical interactions with the components, a decrease in the filtration coefficient and crust formation was established, which, in turn, provides a high stabilizing effect on the properties of lightweight, averaged and heavier drilling fluids.

The improvement of the quality of enveloping of the cuttings from under the bit, the increasing of the mechanical drilling speed to 10-15%, the increasing of the opening of productive horizons for oil and gas to 30-35%, and finally, the ensuring of economic efficiency and environmental safety are shown.

Ключевые слова: композиция, химический реагент, буровая скважина, буровой раствор, долото, плотность, статическое напряжение сдвига, условная вязкость.

Keywords: composition, chemical reagent, borehole, drilling mud, bit, density, static shear stress, conditional viscosity.

Введение. Известно, что для во всем мире и в нашей республики особо важное экономическое значение имеет интенсификация и развитие нефтегазовой промышленности. Для освоения нефтегазоконденсатных месторождений Узбекистана необходимо пробурить несколько миллионов погонных метров, как разведочных, так и  эксплуатационных скважин.

Бурение скважин на площадях Узбекистана  проводится как в нормальных, так и в осложненных геологических условиях. Геологическое строение разбуриваемых площадей, глубина залегания продуктивных горизонтов, а также различие пластовых давлений и наличие зон осложнений требуют качественного бурения. Для этого, прежде всего, требуются эффективные промывочные жидкости, хорошо очищающие забой скважины от выбуренной горной породы, образующие тонкую корку с гладкой поверхностью на стенках скважин по диаметру окружности скважины. При этом создается противодавление на стенках скважины и тем самым предупреждается обрушение горных пород. Благодаря особенностям физико-химических взаимодействий химических реагентов достигается качественное вскрытие продуктивных газоносных горизонтов.

В настоящее время при бурении нефтегазовых скважин применяется большое разнообразие химических реагентов, необходимых для стабилизации буровых растворов, как отечественного, так и зарубежного производства, такие как КМЦ, К-4, К-9, ГИПАН, ССБ, КССБ, NaOH, CaCO₃, УЩР, сульфанол и многие другие, которые являются дорогостоящими и большинство из них завозятся в Узбекистан из-за рубежа.

Анализ имеющихся литературных материалов показывает, что зарубежные химические реагенты значительно дорого, а отечественные реагенты недостаточно эффективно выполняют свои функции под действием агрессивной среды, особенно при использовании минерализованных пластовых вод вследствие их нейтрализации. Для получения качественных буровых растворов требуется специальная обработка значительным количеством активных дорогостоящих химических реагентов. Как правило, качество буровых растворов существенно зависит от состава и структуры применяемых химических регентов. Следует указать, что химические реагенты, применяемые в настоящее время для бурения скважин, в осложненных геологических условиях Узбекистана недостаточно эффективны и весьма дороги.

Необходимо отметить, что существует еще одна серьезная проблема – использование пластовых вод разведанных площадей для приготовления буровых растворов. Рациональный выбор бурового раствора возможен при комплексном выявлении причин возникновения осыпей и обвалов стенок скважин. На основе изучения состава проходимых пород, минерализованных пластовых вод, имеющих в составе 20-25% хлоридов Na⁺, K⁺, Ca⁺⁺, Mg⁺⁺, а также существующей технологии проводки скважин установлено, что применяемые малоглинистые растворы, стабилизированные химическими реагентами не всегда обеспечивают качественное и безаварийное бурение скважин вследствие сильной минерализации пластовых вод ионами натрия, калия, кальция, магния.

Кроме того, наличие агрессивного действия минерализованных пластовых вод значительно повышает установленные нормы расхода химических реагентов при приготовлении буровых растворов. Вышеотмеченные настоятельно требует разработки новых составов и освоения технологий получения высокоэффективных, импортозамещающих и экспортоориентированных, более дешевых многофункциональных композиционных химических реагентов для обработки буровых растворов с использованием как органических, так и неорганических ингредиентов на основе местного сырья и отходов производств.

Разработка и создания высококачественных многофункциональных композиционных химических реагентов и регулирования их свойств, позволяющие получать облегченные, усредненные и утяжеленные буровые растворы, работающие в сложных геологических условиях невозможно без проведения глубоких исследований физико-химических взаимодействий органоминеральных ингредиентов на основе местного и вторичного сырья и выявления закономерностей влияния их структуры, природы, вида, содержания и соотношения на физико-химических свойств реагентов и буровых растворов на их основе.

В связи с этим проведение глубоких исследований влияния природы, вида, содержания и соотношения органоминеральных ингредиентов на физико-химических свойств, позволяющих создать высокоэффективных многофункциональных композиционных химических реагентов на основе местного сырья и отходов производств, обеспечивающих получения стабилизированных облегченных, усредненных и утяжеленных буровых растворов, работающих в осложнено горно-геологических условиях на нефтегазоносных площадях Республики Узбекистан является актуальной проблемой.

Нами были исследованы зависимости плотности, водоотдачи, статического напряжения сдвига композиционного химического реагента от соотношения и содержания композиции СО-ХР и КМЦ.

На основе анализа результатов исследований структуры, состава и физико-химических свойств органоминеральных ингредиентов из местного сырья и отходов производств, а также результатов предварительных исследований их водного раствора нами разработаны специальные составы композиционных химических реагентов и облегченных буровых растворов на их основе, результаты которых приведены в работе [2] и физико-химические и технологические их свойства приведены в таблице 1.

Таблица 1.

 Физико-химические и технологические характеристики 10%-ного бурового раствора на основе разработанных композиционных составов химических реагентов типа СО-ХР-1

Как видно из таблицы 1, свойства предлагаемые составы и свойства разработанных композиционных химических реагентов отвечает требованиям, предъявляемым композиционным химическим реагентам, позволяющих приготовления облегченных буровых растворов при бурении нефтегазовых скважин с низким пластовым давлением.

На рис. 1 приведены зависимости физико-химических свойств 10% буровых растворов, полученных с использованием реагентов СО-ХР и Na-КМЦ, приготовленных на минерализованной воде месторождения Северный Бердах.

Из хода кривых рис. 1 видно, что 10% буровые растворы, в зависимости от соотношения СО-ХР и Na-КМЦ и их содержания, имеют различные физико-химические свойства. Легко заметить, что с увеличением количества СО-ХР в буровом растворе наблюдается снижение всех показателей, кроме показателя водоотдачи. При увеличении же количества Na-КМЦ наблюдается обратная зависимость, т.е. рост указанных показателей. Так, при изменении соотношения СО-ХР и Na-КМЦ от 2/98 до 20/80 плотность буровых растворов лежит в пределах 0,8 – 0,89 г/см³, вязкость – от 22 до 144 с, водоотдача снижается от 11,5 до 4,0 см³/30 мин и СНС – от 10 до 56 мг/см².

Наиболее приемлемыми из этих рецептур являются те, которые содержат СО-ХР от 86 до 92% и Na-КМЦ от 8 до 14%. При содержании Na-КМЦ в составе композиции от 2 до 6% вязкость и СНС 10% -ного бурового раствора сравнительно низкие и неспособны обеспечить полного выброса бурового шлама. При указанных выше концентрациях водоотдача довольно высокая, что достаточно повышает проницаемость бурового раствора в пласт, естественно, его расход будет значительным.

При увеличении содержания Na-КМЦ в композиции от 6 до 14% все технологические показатели буровых растворов нормализуются и их можно применять при бурении нефтегазовых скважин при проходке пластов с аномально низким пластовым давлением. При дальнейшем росте количества Na-КМЦ более 14%, несмотря на то, что плотность и СНС повышаются, а водоотдача снижается, увеличение значений вязкости приводит к снижению скорости бурения и производительности труда, особенно при бурении скважин с аномально низким пластовым давлением. Следовательно, можно заключить, что в зависимости от условий бурения можно выбрать нужный состав из вновь разработанных рецептур для практического использования.

Таким образом, разработаны специальные основные составы композиционных химических реагентов на основе органоминеральных ингредиентов из местного сырья и отходов производств и приготовлены облегченные буровые растворы эксплуатирующихся при бурении нефтегазовых скважин с низкими пластовыми давлениями.

На основе результатов исследований, подробно описанных выше, был разработан ряд рецептур и технология получения эффективных композиционных химических реагентов, используемых для приготовления буровых растворов, способных эксплуатироваться при различных геолого-технических условиях бурения нужного качества. Было установлено, что при создании эффективных рецептур композиционных химических реагентов важно использовать СО-ХР. Исходным сырьем для его производства, как показали наши исследования, может служить госсиполовая смола - отход масложирового производства после модификации с каустической и кальцинированной содой. Было показано, что для окончательного решения проблемы чрезвычайно важно пользоваться отходами производств переработки вторичных цветных металлов-алюмаком, а также недопалом, являющимся отходом заводов химических удобрений, с добавкой карбоксиметилцеллюлозы - Na-КМЦ.

Нами разработаны композиционные химические реагенты для усредненных буровых растворов на основе органоминеральных ингредиентов с использованием недопала, отхода химических производств, состав которых приведены в работе [3], а физико-химические и технологические характеристики приведены в таблице 2.

Таблица 2.

 Физико-химические и технологические характеристики 10%-ного бурового раствора на основе разработанных композиционных химических реагентов типа СС-ХР

Сравнивая данные, приведенные на рис.1 и в таблицах 1 и 2, необходимо отметить, что в увеличении вязкости, водоотдачи и статического напряжения сдвига основную роль играет Na-КМЦ. Наличие же недопала способствует в основном повышению плотности буровых растворов.

Исходя из совокупности проведенных исследований о зависимостях плотности, вязкости, водоотдачи и СНС 10%-ных буровых растворов с различным соотношением СС-ХР с Na-КМЦ, а также с различным количеством содержания недопала, можно сделать следующее заключение: путем подбора соответствующего соотношения СС-ХР с Na-КМЦ и количества недопала можно получать буровые растворы с требуемыми физико-химическими свойствами.

Они вполне способны эксплуатироваться при бурении нефтегазовых скважин в осложнено-геологических условиях и прохождении пластов, как с низким, так и со средним пластовым давлением.

Далее нами разработаны композиционные буровые реагенты на основе СУ-ХР с баритом, окалиной и гематитом для получения утяжеленных буровых растворов, сотав, который приведены в работе [4], а физико-механические и технологические характеристики приведены в таблицах 3,4 и 5.

В таблице 3, 4 и 5 приведены оптимальные составы и технологические параметры утяжеленных буровых растворов СУ-ХР с баритом, окалиной и гематитом.

Таблица 3.

Физико-механические и технологические характеристики композиционных химических реагентов и утяжеленных буровых растворов на их основе СУ-ХР и барита

Таблица 4.

Физико-механические и технологические характеристики утяжеленного бурового раствора на основе СУ-ХР с окалиной

Таблица 5.

Физико-механические и технологические характеристики утяжеленного бурового раствора на основе СУ-ХР с гематитом

Исходя из выше изложенных результатов, можно сделать вывод, что эти новые композиционные химические реагенты пригодны для получения утяжеленных буровых растворов с плотностью от 1,60 до 2,25 г/см³, рН 9-1, вязкостью 60-200 с, водоотдачей 2-6 см³/30 мин при температуре 20-100⁰С и минерализацией с NaCl до 30. Из таблицы 3 видно, что полученные утяжелённые буровые растворы на основе композиционных химических реагентов СУ-ХР с баритом приготовленные на пресной и соляной воде дают возможность получать буровые растворы плотностью от 1,65 до 2,08 г/см³ и водоотдачей в пределах 1-6 см³/30 мин. Таблица 4 показывает, что полученные утяжелённые буровые растворы на основе СУ-ХР с окалиной, приготовленные на пресной и соляной воде дают возможность получать буровые растворы плотностью от 1,59 до 2,1 г/см³ и водоотдачей в пределах 1-5 см³/30 мин.

Заключение. Таким образом, как видно из физико-химических и технологических характеристик, разработанные композиционные химические реагенты, позволяющих получить облегченные, усредненные и утяжеленные буровые растворы для применения их в процессе бурения нефтегазовых скважин в осложнено горно-геологических условиях нефтегазоносных площадях Республики и Узбекистан и сопредельных регионах Центральной Азии, вполне отвечают требованиям буровых организации.

Список литературы:

1. Европейский полимерный конгресс 2011. XII конгресс специализированной группы полимеров. / Программа конгресса, 26 июня-1 июля 2011 г., Гренада, Испания, с. 1018.
2. Негматова К.С. Роль промывочных растворов при бурении нефтяных и газовых скважин и перспективы разработки и применения композиционных химикатов для них. - Ташкент: ГУП «Фан ва тараккиёт», 2012. -59 с.
3. Негматова К.С. Технология приготовления композиционных химических реагентов и буровых растворов и их эффективность-Ташкент: ГУП «Фан ва тараккиет», 2013. -60 с.
4. Негматова К.С., Шарифов Г.Н., Исаков Ш.С., Негматов С.С., Собиров А.Б., Рагимов Х.К. Полимерные реагенты для стабилизации буровых растворов, применяемых в процессе бурения нефтяных скважин.