Исследование свойств органоминеральных утяжелителей и возможность их применения при получении утяжеленных буровых растворов, применяемых при бурении нефтегазовых скважин

АННОТАЦИЯ

В статье приведены результаты исследования физико-химических свойств органоминеральных утяжелителей и эксплуатационные параметры полученных утяжеленных буровых растворов на их основе, применяемые при бурении соленосных ангидритовых толщ нефтегазовых скважин при высоких пластовых давлениях. Получены положительные результаты с использованием утяжелителей и применения их в процессе бурения нефтегазовых скважинах.

ABSTRACT

The article presents the results of a study of the physicochemical properties of organomineral weighting agents and the operational parameters of the obtained weighted drilling fluids based on them, which are used for drilling saline anhydrite strata of oil and gas wells at high reservoir pressures. Positive results were obtained with the use of weighting agents and their application in the process of drilling oil and gas wells.

Ключевые слова: композиция, буровые растворы, минеральные ингредиенты, утяжелитель, барит, гематит, доломит, галенит, железный порошок, магнетит.

Keywords: composition, drilling fluids, mineral ingredients, weighting agent, barite, hematite, dolomite, galena, iron powder, magnetite.

Введение. В практике буровых работ Узбекистана многие осложнения, возникающие при бурении нефтегазовых скважин в осложненных геологических условиях с аномально высоким пластовым давлением особенно в соленосных отложениях, могут быть следствием несоответствия бурового раствора условиям бурения. [1-2].

Следует отметить, что химические реагенты, применяемые в настоящее время для бурения скважин в осложненных геологических условиях Узбекистана, недостаточно эффективны и весьма дороги. Применяемые малоглинистые растворы, стабилизированные химическими реагентами, не всегда обеспечивают качественное и безаварийное бурение скважин вследствие сильной минерализации пластовых вод. Кроме того, наличие агрессивного действия минерализованных пластовых вод значительно повышает установленные нормы расхода химических реагентов при приготовлении буровых растворов [3].

Необходимо отметить, что в современных литературных источниках недостаточно освящены исследования физико-химических свойств химических реагентов и органоминеральных утяжелителей на основе вторичного сырья и отходов производств, позволяющих получать эффективные составы утяжеленных буровых растворов с низкой стоимостью. В связи с этим, исследование физико-химических свойств органоминеральных утяжелителей на основе местного сырья и производственных отходов и разработка композиционных утяжеленных буровых растворов, способствующих обеспечению безаварийного стабильного и экологически эффективного процесса бурения нефтегазовых скважин в высоких пластовых давлениях, является актуальной проблемой.

Исходя из вышеизложенного, целью данной работы является исследование физико-химических свойств органоминеральных утяжелителей на основе местного сырья и отходов производств и разработка ресурсосберегающей технологии получения эффективных утяжеленных буровых растворов с их использованием.

Объекты и методика исследований. Объектами исследования является композиционный химический реагент КХР-УР, состоящий из КХР-1, композиционной водорастворимой госсиполовой смолы, кальцинированная, каустическая сода и алюмак, являющихся отходом производств по переработке кусковых цветных металлов [4-5], а также нефть, Na-КМЦ, барит, гематит, доломит, известняк, глина, мергель, железа и др. Структуру и физико-химические свойства утяжелителей определяли стандартными методами и приборами, принятыми для проведения исследований буровых растворов в странах СНГ.

Результаты исследования и их обсуждение. С целью разработки эффективных составов утяжеленных буровых растворов нами были исследованы физико-химические свойства органоминеральных ингредиентов и утяжелителей на основе местного сырья и отходов производств. Несмотря на разнообразие утяжелителей самым используемым и часто встречающимся в бурении является барит. Поэтому нами были исследованы физико-химические свойства минеральных утяжелителей – барита, гематита, доломита, окалины, мраморной муки, красной глины и карбонатно-полимерного шлама (КПШ) (таблица 1).

В таблице 1 приведены сравнительные данные результатов исследований физико-химических свойств изученных органоминеральных сырьевых компонентов в качестве утяжелителей для буровых растворов.

Таблица 1.

Физико-химические и механические свойства различных утяжелителей

Анализ данных, приведённых в таблице 1, показывает, что истинная плотность гематитового, окалинового и баритового концентратов с указанной плотностью 4,90-5,30 г/cм³, 4,30-4,50 г/cм³, 3,85-4,10 г/cм³ соответственно, отобранных для испытаний в качестве утяжелителей, близка к плотности импортного баритового концентрата класса Б по ГОСТ 4682-84 для использования в нефте - и газодобывающей промышленностях в качестве утяжелителя и составляет 4,0-4,20 г/cм³. В связи с этим, имеющиеся в Республике Узбекистан указанные сырьевые ресурсы можно успешно применять в качестве утяжелителей для буровых растворов.

Далее для разработки композиционных химических реагентов утяжеленных буровых растворов были исследованы основные параметры утяжеленных буровых растворов с использованием выбранных реагентов и органоминеральных ингредиентов утяжелителей. Для этого нами предварительно был выбран композиционный химический реагент КХР-1 в качестве основы, состоящий, из водорастворимой порошкообразной модифицированной госсиполовой смолы, Na-КМЦ, кальцинированная и каустическая сода и алюмак [4-5].

Учитывая, что гематит и барит имеют высокую плотность, для получения сверхутяжеленых буровых растворов нами проведены экспериментальные исследования по изучению физико-химических свойств буровых растворов на основе композиционного химического реагента КХР-1. На рисунке 1 приведены результаты исследований зависимости условной вязкости буровых растворов на основе композиционных химических реагентов и различных утяжелителей от их плотности.

Рисунок 1. Зависимость условной вязкости буровых растворов от их плотности: 1- красная глина, 2-КПШ, 3-мраморная мука, 4-доломит, 5-барит Сарибулакский, 6- барит Жейремкий,7-барит Салаирский, 8-окалина, 9-гематит

Как видно из рисунка 1, при использовании различных утяжелителей в буровых растворах, приготовленных на основе композиционного химического реагента, можно получить буровые растворы плотностью с красной глиной - до 1,40 г/см³, карбонатно-полимерным шламом - до 1,43 г/см³, мраморной мукой - до 1,48 г/см³, доломитом - до 1,55 г/см³, узбекским баритом - до 1,9 г/см³, казахским баритом – до 2,05 г/см³, российским баритом - до 2,1 г/см³, окалиной - до 2,25 и гематитом - до 2,35 г/см³.

Далее исследованы эксплуатационно-технологические характеристики разрабатываемых утяжеленных буровых растворов на основе композиционных химических реагентов с использованием пластовых вод - зависимость условной вязкости от их плотности, стабильность и седиментационная устойчивость от их концентрации.

На рисунке 2а приведены зависимость стабильности утяжеленных буровых растворов от концентрации композиционных химических реагентов при различных утяжелителях, на рисунке 2б зависимость стабильности от дисперсности частиц утяжелителя.

а)                                                                                                    б)

Рисунок 2. а) Зависимость стабильности утяжеленных буровых растворов от концентрации композиционного химического реагента КХР-УР; 1-барит, 2-окалина, 3-гематит; б) Зависимость стабильности утяжеленных буровых растворов от среднего размера частиц утяжелителей; 1-сушествующий; 2- полученный на основе КХР-УР

Из рисунка 2а и 2б видно, что композиционный химический реагент положительно влияет на стабилизирующую способность утяжеленных буровых растворов. С увеличением содержания композиционного химического реагента до 13,5% стабильность утяжеленных гематитом буровых растворов уменьшена от 0,13 до 0,03 г/см³, окалиной от 0,12 до 0,02 г/см³ и баритом от 0, 11 до 0,01 г/см³.

Для создания утяжеленных буровых растворов с использованием барита и гематита был разработан оптимальный состав композиционных химических реагентов, условно названных КХР-УР, обладающих высокой смазывающей способностью за счет содержания около 35-40% полимеризованных жирных кислот, глицерина и других компонентов, служащих для эмульгирования нефти с водой. В качестве стабилизатора был использован Na-КМЦ Наманганского производства «Карбонам». Для получения соленасыщенных утяжеленных буровых растворов добавляли от 15 до 25 % технической соли хлорида натрия от общего объема раствора и утяжелителей.

Результаты проведенных испытаний по получению утяжеленных безглинистых буровых растворов на основе композиционного химического реагента КХР-УР приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Технологические параметры утяжеленного бурового раствора КХР-УР

Из данных таблицы 2 следует, что на основе разработанного композиционного химического реагента КХР-УР возможно получать эффективные утяжеленные буровые растворы высокой плотности.

Заключение. На основе результатов комплексных исследований разработан научно-обоснованный подход к созданию эффективных композиционных составов химических реагентов с использованием органоминеральных ингредиентов из местного и вторичного сырья для получения утяжеленных буровых растворов плотностью до 2,30 г/см³;

Разработаны оптимальные составы композиционных химических реагентов КХР-УР, обеспечивающих сохранение регламентированных реологических и фильтрационных свойств буровых растворов и рекомендованы для бурения нефтегазовых скважин в сложно геолого-технических условиях.

Список литературы:

1. Булатов А.И., Макаренко П.П., Проселков Ю.М. Буровые промывочные и тампонажные растворы: учебное пособие для вузов. М.: Недра, 1999. с. 424.
2. Грей Дж. Состав и свойства буровых агентов (промывочных жидкостей) / Дж. Грей, Г. Дарли // М.: Недра, 1985. с. 509.
3. Негматова К.С., Маманов Б.Ф., Ражабов А.Р. и др. / Химические реагенты для стабилизации буровых растворов и методики определения их физико-химических и структурно-механических свойств // Ташкент: ГУП «Фан ва тараккиёт». 2012. с. 10.
4. Негматова К.С., Негматов С.С., Икрамова М.Э. Исследование физико-химических свойств отхода металлургических производств применительно к буровым растворам в качестве утяжелителя // «Композицые материалы”. Ташкент, 2018. №4. С. 54-56.
5. Negmatov S.S., Negmatova K.S., Salimsakov Y.A., Negmatov J.N., Isakov Sh.S. Composite Powder Materials for Stabilization of Drilling Fluids Which Provides High Durability of Cutting Instruments Dolot Used in Process of Drilling Oil Veils// Advanced Materials Research, Trans Tech Publications, Switzerland, 2013. - vol. 616-618. - pp. 1762-1765.
6. Негматов С.С., Тухтаев К.Т., Негматова К.С., Икрамова М.Э., Абед Н.С. и др. Композиционные высоконаполненные полимерные реагенты для буровых реагентов, способствующие повышению работоспособности породоразрушающего инструмента в процессе бурения нефтегазовых скважин // Пластические массы, 2020, №5-6, с. 55-59. DOI: 10.35164/0554-2901-2020-5-6-55-59.