ПРИМЕНЕНИЕ ЭМУЛЬСИОННЫХ РАСТВОРОВ НА ОСНОВЕ ПОВЕРХНОСТНО АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИН

АННОТАЦИЯ

В статьe представлены результаты исследований по получению эмульсионных буровых растворов низкой плотности, стабилизированных анионными поверхностно-активными веществами (ПАВ) и акриловыми полиэлектролитами (ПЭ). Анионные ПАВ получают на основе органического химического сырья Узбекистана. Изучены коллоидно химические и технологические свойства эмульсионно полимерных растворов(ЭПР).  Установлены их преимущества  по гидрофобизирующему   и стабилизирующему  действию на проходимые горные породы и глинистые стенки скважин. Приведены результаты опытных испытаний ЭПР при бурении геотехнологической скважин на золото в геологической экспедиции.

ABSTRACT

The article presents the results of studies on the production of low-density emulsion drilling fluids stabilized with anionic surfactants (surfactants) and acrylic polyelectrolytes (PE). Anionic surfactants are produced on the basis of organic chemical raw materials from Uzbekistan. The colloidal chemical and technological properties of emulsion polymer solutions (EPS) have been studied. Their advantages as a hydrophobic and stabilizing effect on passable rocks and clay walls of wells have been established. The results of experimental tests of EPS when drilling a geotechnological well for gold during a geological expedition are presented.

Ключевые слова: буровой раствор, акриловый полимер, бентонит, физико-химические свойства, буровая скважина.

Keywords: drilling fluid, acril polymer, bentonite, physical and chemical properties, drilling wells.

Введение. Эффективность бурения  скважин зависит в основном от состава и свойств буровых растворов, которые должны обеспечивать безопасность и безаварийность ведения работ при высокой скорости бурения и качественном вскрытии продуктивного пласта. Применение буровых растворов с регулируемыми свойствами оправданно требует значительных средств, с целью экономии затрат времени на работы, связанные с авариями, осложнениями, проработками и промывками. Следовательно, разработка рецептур эмульсионных буровых растворов с требуемыми коллоидно-химическими  свойствами на основе поверхностно активных веществ (ПАВ) из местного органического сырья весьма актуальна.

Перед авторами данной статьи была поставлена задача получения бурового раствора с повышенной плотностью, обладающей свойством предотвращения кавернообразования стенок скважин и их размыва при прохождении пластов  солевых отложений.

Объекты и методы. С этой целью мы синтезировали ПАВ на основе дистиллированных жирных кислот софлорового масла, красного каустика (отход производства металлического натрия) и алюмината натрия. Методами физической химии изучали основные коллоидно-химические свойства  водных растворов ПАВ (поверхностное натяжение, адсорбцию, пенообразование), а также используя комплект приборов ЛГР-5 — технологические свойства: плотность, вязкость, фильтрация, статическое напряжение сдвига, рН.

Результаты и обсуждение. Авторами статьи проведены исследования бинарных эмульсионных растворов на основе ПАВ, полимерных реагентов- стабилизаторов и утяжелителей (таблица 1).

                                                                                      Таблица 1.

Сравнительные испытания водорастворимых  полимеров- стабилизаторов при обработке глинистого раствора

Проведенные авторами исследoвaния пoкaзывaют, что из  растворов ПАВ и полимеров в зaвисимoсти от нaзнaчения пoлучaемых буровых промывочных жидкостей  мoжнo сoстaвить различные их кoмпoзиции. При этом, следует отметить, что пoлучaемые кoмпoзиции служат oснoвoй бинарных эмульсионных буровых рaствoрoв с высокими стабилизирующими свойствами [2; 3; 7; 8].

Опытно промышленные испытания бинарных эмульсионно-полимерных растворов проводили в Восточно-Кураминской геолого-разведочной экспедиции-ГРЭ (Ташкентская область) в осложненных условиях бурения скважин на цветные и благородные металлы.

Технология проводки скважин и процесс бурения  Восточно-Кураминских  золоторудных полей резко осложнены из-за изменчивости физико-механических свойств проходимых горных пород: алевролитов, сланцев, брекчия. Физико-химические процессы, протекающие в приствольной зоне скважин, зависят от физического состояния горных пород.

Из литературы известно, что различное содержание углисто-слюдистых сланцев, переслаивающихся алевролитами и песчаниками, характеризуется большей степенью пластичности пород, залегающих в верхних горизонтах.  Наряду с этими физическими свойствами, с позиции технологии бурения и выбора компонентов промывочной жидкости, в геологически осложненных зонах большую роль играет динамика водонасыщения горных пород [1; 4–6; 9].

В исследовании, посвященному данной проблеме, установлено, что водо- насыщение всех разновидностей пород рудного поля происходит быстро (до 90 %) в первые и частично вторые, а также третьи сутки, а дальнейшее насыщение происходит крайне медленно. Высокими значениями водонасыщения обладают наименее изменённые сланцы: среднее —окварцованные сланцы, песчаники и изменённые окварцованные сланцы. Низкие значения  водонасыщения свойственны кварцу.

Резюмируя вышесказанное, авторы статьи приходят к выводу о том, что зоны разломов и дроблений месторождении Кызыл-олма (участок Междуречье) и Коч-булак (участок Токберды Восточно Кураминской ГРЭ) рудные поля сложены сильнотрещиноватыми, раздробленными и часто перетертыми до глинки трения породами.  Содержание последних в породе:  от 24 до 58 % и при сильном увлажнения они переходят в текучее состояние. Таким образом, на интенсивность развития процесса — нарушение устойчивости стенок ствола скважины (осыпи, обвалы, обрушения пород, размыв стенок и кавернообразования), влияют не только физико-механические свойства пород, но и химический состав буровых растворов, водопоглощающих свойств пород, а также гидрохимический состав пластовых вод.

Для предупреждения этих осложнений авторами разработана рецептура высокоэффективного, обладающего стабилизирующими, смазывающими и гидрофобизирующими воздействиями на проходимые  глинистые горные  породы эмульсионного бурового раствора на основе анионного поверхностно-активного вещества НА-1.

Проблема изучения причин возникновения осложнений связанных с обвалом горных пород и кавернообразованием при прохождении зоны разломов и дроблении, в Восточно-Кураминской ГРЭ, практически до конца не  решена. Слабая изученность этой проблемы, отсутствие эффективных промывочных жидкостей явилась причиной многих осложнений и аварий, встречающихся в золоторудном поле, при пересечении бурением отложений независимо от их мощности и глубины залегания. В  связи с этим на научно-техническом совете  при главном инженере Восточно-Кураминской ГРЭ нами было предложено провести испытания эмульсионного раствора, на основе   ПАВ НА-1, при бурении скважины, где наблюдались  осложнения, связанные с неустойчивостью горных пород.

Основной целью испытания являлось выявление эффективности  ПАВ НА-1 как основы эмульсионного бурового раствора.  Эмульсионный раствор должен был пройти проверку в производственных условиях в качестве стабилизатора, смазочная добавка, а также гидрофобизатор легко набухающих, слабо трещиноватых пород, взамен применяемых  промывочных жидкостей  на глинистой основе. Конечной целью является полный отказ от привоза  бурового раствора на глинистой  основе, а также сокращение привоза дефицитных химреагентов.

На глинистой станции предварительно отрабатывают рецептуру бурового раствора, регистрируют его исходные физико-химические  параметры, затем приступают к  бурению скважины. Регулирование параметров раствора, а также определение количества необходимых добавок новых порций ПАВ НА-1 и  циркулирующий раствор уточняется отбором проб буровой жидкости.

Бурение скважины (бригада № 5) было начато с глубины 140 м после цементирования  бурильной колонны.

Предварительно приготовлен  раствор на основе ПАВ НА-1 в количестве 10м³,  который  имел следующие параметры:

• удельный вес                               — 1,01–1,03 г/см³
• вязкость                                        —    20–21 сек.
• водоотдача                                       —   10 см³
• толщина корки                                 —        0,1 мм
• рН                                                       —           9

Согласно данным геологической службы, бурение осуществлялось при средней категории твердости пород =9,3.  Параметры режима бурения были следующими:

• осевая нагрузка                                                 —        600–1000 кг
• частота вращения  бурильного снаряда         —   240–350 об/мин.
• подача промывочной жидкости                      —  100 л/ мин.
• давление в циркуляционной системе             —   20–30 атм
• механическая скорость                                     —   1,5 м/час
• проходка на 1 коронку                                       —   14 м

При бурении скважины регулирование эксплуатационных параметров бурового раствора осуществлялось под контролем научных сотрудников Национального университета Узбекистана (НУУ) и Ташкентского государственного технического университета (ТГТУ), а также  работников технологической службы экспедиции. Хронометражные работы  при бурении геотехнологической скважины  проводилась также совместно.

• В процессе бурения после каждой добавки новых порций эмульсионного раствора из запасной емкости в циркулирующей раствор производился замер его  основных технологических параметров: удельный вес, условная вязкость, водоотдача (фильтрация), толщина фильтрационной корки, рН, суточный отстой, давление в циркуляционной системе, расход жидкости, проходка на алмазную коронку, число оборотов снаряда, давление на забой скважины, механическая скорость. Кроме того, в буровом журнале, а также в журнале хронометража периодически отмечалась: устойчивость стенок скважины,  очистка циркулирующего раствора от шлама и поступления минерализованных пластовых вод. Обработка результатов опытно-промышленных испытаний эмульсионного раствора на основе ПАВ НА-1 проводилась совместно с сотрудниками  и работниками технологической службы экспедиции.

Сравнительные технологические параметры экспериментальных и базовых  буровых скважин приведены в таблице 2.

Как видно из таблицы 2 технологические параметры эмульсионно-полимерного раствора, который применялся на опытных скважинах по сравнению с базовой скважиной  имеют  более эффективные значения.

Основные выводы по проведенным опытно-промышленным испытаниям эмульсии  ПАВ  НА-1 были сделаны на научно-техническом совете (НТС) Восточно-Кураминской ГРЭ. Авторы статьи приводят их ниже.

1. НТС отметил положительное воздействие эмульсионно-полимерного раствора — ЭПР на проходимые горные породы, а также на режим и параметры бурения  геотехнологической скважины.

2. Благодаря применению эмульсионного раствора на основе ПАВ НА-1, произошло увеличение механической скорости, рост производительности  бурового насоса и обеспечен  рост  проходки на одно долото.

3. Важной особенностью  сухого гранулированного  реагента НА-1 является его транспортабельность, хорошая водорастворимость упрощённая  технологии получения эмульсий из концентрата в глиномешалке.

Реагент НА-1 и акриловые полимеры (К-9, Гипан) испытывались на  разведочной скважине № 1028, 1030 месторождение Кызыл Олма Восточно-Кураминской  ГРЭ. Геологический разрез скважины представлен переслаиванием алевролитов и сланцев с интервалом прожилкового и метасоматического окварцевания. Пересечены две зоны интенсивного дробления в интервалах 15–27 м, 306–346 м, представленные сильно трещиноватыми и размятыми сланцами и алевролитами.

Средняя категория пород – 9,3 балла.

Бурение производилось колонковым алмазным способом, с использованием гидроударников и эжекторов. Бурение осуществлялось станком ЗИФ — 650, применялся буровой насос АНБ 22, буровой снаряд  и  муфта замкового соединения — комбинированы.

Параметры и режимы бурения:

• осевая нагрузка  — 500–1000 кг
• частота вращения снаряда — 254–340 об/мин.
• количество промывочной жидкости — 100–120 л/мин.

Рейсовая проходка базовой скважины взята по результатам экспериментального  объема хронометражных наблюдений.

В процессе испытаний опытная скважина пробурена с использованием реагента ПАВ НА-1= 350 м (интервал от 20 до 370 м). Израсходованное       количество  эмульсии =10м³ (приготовлен из ПАВ НА-1), а также применено 10 %-ного  водного раствора  акрилового полимера  К-9 в количестве 3 м³.

В процессе испытаний параметры исходного бурового  раствора  были следующие:

• удельный вес                 —     1,02–1,03 г/см³
• условная вязкость          —     22–27 сек
• водоотдача                     —       6–8 см³
• корка                               —      пленка
• суточный отстой            —         0
• рН                                    —     8,5–9 ,0

При проведении опытно-промышленных испытаний получены следующие технико-экономические показатели.

Таблица 2.

Технико-экономические показатели

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Гидрофобно-эмульсионные растворы свободно утяжеляются фосфогипсом до удельного веса 2,1 г/см³, а также минерализованным раствором.  Попадания одно и двухвалентных катионов и анионов приводит к существенной потере стабильности раствора.

2. Фильтрационные параметры буровых растворов на основе  ПАВ НА-1 и акриловых полиэлектролитов имеют тенденцию к увеличению при повышении перепада давления и температуры. При низких температурах       (80–90 °C) эмульсионные растворы имеют низкие фильтрационные показатели.

3. Бинарный эмульсионно-полимерный раствор прошел опытно-промышленные испытания при бурении глубокой скважины в Восточно-Кураминской ГРЭ.  Получен эффект по увеличению механической скорости бурения на 25 %, а также получен эффект по ликвидации осыпей и обвалов глинистых стенок глубоких геотехнологических скважин при бурении на золото и цветные металлы.

Список литературы:

1. Булатов А.И. . Бурение нефтяных и газовых скважин. — М.: Недра,2003. —384 с.
2. Исмоилов Р.И., Шералиева О.А., Кадыров Н.А., Кадыров А.А. Регулирование реологических свойств буровых растворов, стабилизированных полиакрилатами и полисахаридом // Химическая безопасность / Chemical Safety Science. — 2020. — Т. 4. № 1. —  С. 227–236.
3. Овчинников В.П., Аксенова Н.А., Каменский Л.А., Федоровская В.А.  Полимерные буровые растворы. Эволюция «из грязи в князи» // Бурение и нефть. — 2014. — №12. — С.24–29.
4. Петров Н.А, Давыдова И.Н.  Технологии повышения качества буровых растворов // Нефтегазовое дело. — 2016. — № 1. —  С. 20–38. http://ogbus.ru/files/ogbus/issues/1_2016._1__p20-38 .
5. Пименов И.Н. Реологические характеристики как основной показатель качества бурового раствора // Материалы науч.-техн. конф. УГТУ. — Ухта.  2012. — Ч.1. —  С. 115–117.
6. Сатаев И.К., Ахмедов К.С. Водорастворимые полиэлектролиты в бурении. — Ташкент: Фан 1984. — 256 с.
7. Шарафутдинов З.З. Создание реологических свойств буровых растворов, обеспечивающих безопасность процесса бурения // Горный журнал. — 2005. — № 4. — С.109–113.
8. Caenn R., Chillingar G.V, Drilling fluids: state of the art // Journal of Petroleum Science and Engineering. — 1996. — Vol. 14 (3-4). — Pp. 221–230. https://doi.org/10.1016/0920-4105(95)00051-8.
9. Taylor K.C., Nasr-El-Din H.A.Water-soluble hydrophobically associating polymers for improved oil recovery: a literature review // Journal of Petroleum Science and Engineering. — 1998. Vol. 9 (3-4). — Pp. 265–280. https://doi.org/10.1016/S0920-4105(97)00048-X.