Исследование и разработка технологий обеспечения устойчивости ствола геологоразведочных скважин
На правах рукописи
ИВАНОВ ЮРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ
ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ ОБЕСПЕЧЕНИЯ
УСТОЙЧИВОСТИ СТВОЛА ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫХ СКВАЖИН
Специальность 25.00.15 - Технология бурения и освоения скважин
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва – 2009
Работа выполнена в Филиале «Апрелевское отделение Всероссийского научно-исследовательского геологического нефтяного института» (АО ВНИГНИ) Федерального государственного унитарного предприятия «Всероссийский научно-исследовательский геологический нефтяной институт» ФГУП «ВНИГНИ»
Научный руководитель: Кандидат технических наук
Е.А. Коновалов
Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор
А.А. Фролов
Кандидат технических наук
Ю.П. Скворцов
Ведущая организация: Общество с ограниченной ответственностью
«Тюменский научно-исследовательский проектный институт природного газа и газовых технологий» (ООО «ТюменьНИИгипрогаз»)
Защита состоится «22» апреля 2009 г. в 15.30. часов на заседании диссертационного совета ДМ 002.263.01 при НЦ НВМТ РАН
по адресу: 117334 г. Москва, ул. Бардина, 4
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НЦ НВМТ РАН по адресу: 117334 г. Москва, ул. Бардина, 4.
Автореферат разослан « 20 » марта 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного
совета, доктор технических наук А.П. Аверьянов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы
Одним из основных стратегических направлений развития нефтегазового комплекса России является повышение эффективности геологоразведочных работ, освоение морских месторождений в северных регионах страны. Решать проблемы прироста запасов углеводородов невозможно без увеличения объемов разведочного и эксплуатационного бурения. Дальнейшее развитие буровых работ требует, наряду с дополнительными инвестициями, разработки и внедрения новых научно-технических решений, направленных на обеспечение стабильной добычи нефти и газа.
Анализ практики строительства скважин в терригенных отложениях Западной Сибири, Поволжья и других районах страны, обобщение результатов научно-исследовательских и опытно-промышленных работ, направленных на повышение устойчивости ствола скважины в сложных геолого-технических условиях, позволяет считать целесообразным проведение экспериментальных исследований композиционных реагентов-ингибиторов разупрочнения горных пород, смазочных добавок, гидроизоляционных составов, а также технологий их применения, увеличивающих период устойчивого состояния терригенных пород и безаварийное бурение скважины в целом. Наибольшие трудности возникают при изоляции малопроницаемых коллекторов, в которых применение гидроизоляционных составов на основе цементных растворов и смол не достаточно эффективно. Гидроизоляционные составы с повышенной проникающей способностью необходимы также для очистки стенок скважины от глинистой корки в интервалах залегания продуктивных пластов, гидроизоляции шламовых амбаров, создания противофильтрационных завес при строительстве подземных хранилищ газа, гидроизоляции и закреплении песков при строительстве шахт, фундаментов зданий и сооружений и т.п.
Решение проблем предупреждения и ликвидации геологических осложнений при строительстве, эксплуатации, капитальном ремонте скважин путем использования гель-технологий позволит существенно повысить эффективность геологоразведочных работ, надежность скважины как эксплуатационного объекта, снизить экологическую нагрузку на окружающую среду. Актуальность этих задач возрастает в настоящее время в связи с существенным расширением объемов буровых работ в природоохранных зонах.
Цель работы. Обеспечение устойчивости ствола скважин в сложных горно-геологических условиях, путем разработки и внедрения композиционных силикатных реагентов многофункционального действия и гель – технологии получения гидроизоляционных составов.
Основные задачи исследования:
1. Анализ современного состояния применения ингибированных буровых растворов и гидроизоляционных составов для обеспечения устойчивости ствола скважин.
2. Экспериментальные исследования и разработка рецептуры композиционных силикатных ингибиторов разупрочнения горных пород.
3. Экспериментальные исследования, разработка и усовершенствование составов смазочных добавок многофункционального действия.
4. Экспериментальные исследования и разработка эффективных составов гидроизоляционных смесей и технологии их применения в различных горно-геологических условиях.
5. Экспериментальные исследования и разработка гель-технологии получения химических реагентов - ингибиторов разупрочнения горных пород.
6. Промысловые испытания композиционных химических реагентов при строительстве скважин. Разработка нормативной документации.
Научная новизна работы
1. Научно обоснована возможность существенного повышения устойчивости горных пород при использовании комбинированных силикатных реагентов: силикатного углещелочного фосфатного реагента (СУФР), силикатного углещелочного реагента-борного (СУФР-Б), композитов на основе порошкообразного силиката «Монасил».
2. Теоретически обоснованы новые составы для гидроизоляции низкопроницаемых коллекторов, гель-технология получения композиционных химических реагентов – ингибиторов буровых растворов и рецептуры смазочных добавок.
3. Научно-обоснованы и разработаны композиционные химические реагенты на основе водорастворимых эфиров целлюлозы с улучшенными смазочными и ингибирующими свойствами (карбодиамин, КМЦ-ОПМ).
Основные защищаемые положения
Автором защищаются следующие положения:
1. Результаты экспериментальных исследований по выбору композиций химических реагентов и технологий их применения с целью сохранения устойчивости ствола скважины.
2. Технико-технологические решения по гидроизоляции поглощающих и проявляющих пластов.
3. Метод связывания агрессивных сред при строительстве скважин, других горных выработок в процессе утилизации отходов производств.
4. Результаты опытно-промышленных испытаний и технологических решений.
Практическая ценность и реализация результатов работы
Практическая ценность работы характеризуется соответствием научно-исследовательских разработок основным направлениям научно-технического развития нефтегазовой отрасли в области строительства и капитального ремонта скважин.
Результаты проведенных исследований и разработок, выполненных по теме диссертации, используются при строительстве скважин в Западной и Восточной Сибири:
- подобраны и апробированы на практике эффективные рецептуры комбинированных силикатных реагентов – ингибиторов и смазочных добавок;
- организовано мелкосерийное производство силикатных композиционных реагентов и смазочных добавок к буровым растворам;
- проведены промысловые испытания разработок (более 50 скважин в Западной и Восточной Сибири, Коми Республике и других регионах России) и определены рациональные области их использования.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались на НТС ПГО «Ленанефтегазгеология» и «Енисейнефтегазгеология» (1989-1992 г.г.); втором международном симпозиуме «Нетрадиционные источники углеводородного сырья и проблемы его освоения» (г.Санкт-Петербург, 1993); XV Губкинских чтениях (Москва, 1999 г.); 3-м международном семинаре «Горизонтальные скважин» (Москва, 2000 г.); международной научно-технической конференции «Геология, ресурсы, перспективы освоения нефтегазовых недр Прикаспийской впадины и Каспийского региона» (Москва, 2007 г.).
Публикации
Основные положения диссертационной работы изложены 12 печатных работах, из них 4 по перечню ВАК и в 1 монографии.
Объем и структура работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, основных выводов, списка использованных источников из 105 наименований. Изложена на 125 страницах текста компьютерного набора, включает 20 рисунков и схем; 14 таблиц.
Автор чтит, светлую память д.т.н., профессора Ивана Максимовича Тимохина, принимавшего деятельное участие в организации лабораторных исследований и разработке модифицированных полимерных реагентов и проведении их промысловых испытаний. Автор выражает глубокую благодарность и признательность Зотееву А.М., Кашкарову Н.Г., Коновалову Е.А., Кузнецову Ю.С., Ноздре В.И., Пичугину В.Ф., Тесленко В.Н., Штолю В.Ф., благодаря ценным советам, помощи и доброжелательному отношению которых, были достигнуты научные и практические результаты работы.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Введение. Обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, определена научная новизна, практическая ценность и реализация результатов.
Первый раздел диссертации посвящен анализу современного состояния изученности вопросов по обеспечению устойчивости ствола скважины в сложных горно-геологических условиях. К основным видами осложнений, вызывающих существенное ухудшение баланса календарного времени бурения и удорожание стоимости строительства скважин, относятся осыпи и обвалы горных пород, сужение ствола скважины в интервалах залегания неустойчивых терригенных пород, и, как следствие, посадки и затяжки бурильного инструмента; чрезмерное диспергирование пластичных глин и резкое загустевание буровых растворов; поглощения буровых растворов и проявления агрессивных пластовых вод и др. Основные методы предотвращения нарушения устойчивости ствола скважины в интервалах залегания глин и аргиллитов – утяжеление, снижение водоотдачи и ингибирование бурового раствора.
Несмотря на накопленный опыт бурения скважин в различных горно-геологичских и природно-климатических условиях, затраты времени на борьбу с осложнениями до сих пор занимают значительный удельный вес (до 7-10 %) в цикле строительства скважин. Большинство специалистов возникновение осыпей и обвалов неустойчивых глин и аргиллитов связывает с влиянием физико-химических свойств бурового раствора, обуславливающих протекание процесса гидратации и увеличение напряжений в приствольной зоне.
Выполнен обзор работ исследователей, внесших значительный вклад в разработку рецептур ингибированных буровых растворов, а также в изучение влияния технологических свойств буровых растворов на возникновение осложнений при строительстве скважин в различных горно-геологических условиях.
Вопросам исследований влияния буровых растворов на разупрочнение горных пород посвящены работы многих авторов: Аветисова А.Г., Ангелопуло О.К., Ананьева А.И., Булатова А.И., Вадецкого Ю.В., Войтенко В.С., Городнова В.Д., Келли Д.Д, Кистера Э.Г., Липкеса М.И., Леонова Е.Г.. Мавлютова М.Р., Мариампольского Н.А., Мухина Л.К., Новикова В.С., Пауса К.Ф., Пенькова А.И., Роджерса В.С., Рябченко В.И., Сеид-Рза М.К., Яремийчука Р.С.
Работами В.Д. Городнова, И.М. Тимохина, В.Н. Тесленко, В.И. Иссерлиса, А.И. Черняховского и др. убедительно доказана возможность продления срока устойчивого состояния ствола скважины за счет применения модифицированных полимерных реагентов, в частности водорастворимых эфиров целлюлозы. Исследованиями Медведевой Л.В., Степанова Н.В., Хуршудова Д.В., Ботвинкина В.Н. вполне убедительно доказана целесообразность применения буровых растворов, стабилизированных окисленными крахмальными реагентами (ОКР), при бурении скважин в сложных горно-геологических условиях. Применительно к условиям строительства скважин на разведочных площадях, газовых и газоконденсатных месторождениях Западной Сибири А.Ф. Усыниным и специалистами ООО «ТюменНИИгипрогаз» разработаны и широко используются глинистые растворы, стабилизированные полимерным комплексом – реагентом КЛСП ( карболигносульфонат пековый).
Вопросы эффективности применения калиевых буровых растворов наиболее детально рассмотрены в монографии В.С. Новикова и трудах АО НПО «Бурение».
Практика бурения глубоких скважин в России, странах СНГ убедительно доказала целесообразность применение силикатных буровых растворов (ингибитор – товарное жидкое стекло). Исследованиями МИНХ и ГП им. И.М. Губкина, БашНИПИнефть, Гипровостокнефть, ВНИИКРнефть, других учебных и научно-исследовательских организаций показано, что малосиликатные глинистые растворы (МСГР) с содержанием жидкого стекла в количестве 3-5%, способствуют снижению осложнений при строительстве скважин в интервалах залегания неустойчивых глин и аргиллитов. Значительный опыт применения МСГР, а также силикатно-солевых (ССР), полимерных алюмосиликатных (ПАСР) и силикатных асбогелевых (САГР) растворов накоплен при строительстве скважин в Якутии. Исследованию силикатных буровых технологических жидкостей посвящены работы Андресона Б.А., Белова В.П., Городнова В.Д., Коновалова Е.А. и других авторов.
Для снижения адгезионных и противоприхватных свойств буровых растворов, используемых для промывки скважины в интервалах залегания неустойчивых терригенных пород, разработано множество смазочных добавок. Тем не менее, далеко не все они удовлетворяют многообразию условий строительства скважин.
Изучению кольматирующего влияния буровых растворов на проницаемость пористых сред посвящены работы Жигача К.Ф., Ярова А.Н., Городнова В.Д., Мухина Л.К., Мавлютова М.Р., Белова В.П. и других отечественных и зарубежных исследователей. Накоплен значительный опыт экспериментальных исследований и опытно-промышленных работ. Тем не менее, многие интересные разработки не нашли широкого практического применения.
Практика строительства скважин показала, что такие традиционные методы борьбы с поглощениями и водопроявлениями как намыв наполнителей, закачка тампонирующих вязко-пластичных и вязкоупругих смесей, в том числе на основе смол, установка цементных мостов, требуют значительных затрат времени и средств и не всегда дают положительный результат.
На основании анализа работ исследователей были изучены особенности наиболее широко распространенных ингибированных буровых растворов (хлоркалиевых и силикатных) с низким содержанием твердой фазы, применяемых в различных горно-геологических и природно-климатических условиях. Отмечено, что применение модифицированных и композиционных химических реагентов приводит к снижению вероятности возникновения прихватоопасных ситуаций в скважинах, улучшает качество вскрытия продуктивных пластов.
Проведенный анализ показал, что:
- наряду с несомненными преимуществами ингибирование буровых (глинистых и безглинистых) растворов хлористым калием имеет и недостатки, прежде всего связанные с повышенным расходом материалов, в том числе и полимерных реагентов – понизителей водоотдачи и стабилизаторов, а также необходимостью изменения стандартного комплекса ГИС;
- традиционные рецептуры малосиликатных глинистых растворов (содержание товарного жидкого стекла 3-5 % и более), как правило, имеют повышенные значения коэффициента липкости фильтрационной корки;
- полимерные реагенты-понизители фильтрации, как правило, существенно не улучшают смазочные и ингибирующие свойства буровых растворов;
- широко применяемые смазочные добавки не отличаются высокой эффективностью и многофункциональностью;
- применяемые составы гидроизоляционных смесей далеко не всегда способны надежно изолировать зоны осложнений.
В результат проведенного анализа литературных источников сформулированы цель работы и задачи исследований.
Второй раздел посвящен разработке композиционных реагентов-ингибиторов разупрочнения горных пород, смазочных добавок и модифицированных полимерных реагентов, а также исследованию влияния разработанных реагентов на показатели свойств буровых растворов.
Концепция соединения двух и более различных веществ для получения нового материала с синергетическим и аддитивным набором свойств широко используется в науке и технике, в частности при получении полимерных композитов. Многообразие реакций силикат-иона предопределяет возможность создания разнообразных силикатных композитов. К числу веществ, препятствующих образованию нерастворимых в воде силикатных связок, относятся растительные масла и другие глицеринсодержащие материалы.
Опыт экспериментальных работ АО ВНИГНИ убедительно показал целесообразность использования водорастворимых силикатов в качестве основного компонента при составлении рецептур комбинированных реагентов - ингибиторов разупрочнения неустойчивых терригенных пород. Так, реагенты СУФР и СУФР-Б эффективно уменьшают показатели структурно-реологических свойств и проницаемость фильтрационной корки при содержании его в глинистом растворе в количестве 0,2-0,5%. Учитывая известные факты возникновения прихватоопасных ситуаций в скважинах, бурящихся с промывкой малосиликатными глинистыми растворами, в состав СУФР и СУФР-Б дополнительно вводили органические соединения – побочные продукты производства синтетических душистых веществ комбината СДВ (г. Калуга), содержащие олеиновую, линолевую и другие кислоты (т.е. компоненты смазочных добавок).
Высокая эффективность СУФР-Б как ингибитора разупрочнения глин была подтверждена в ходе проведения специальных исследований на установке «Керн-5» по методике Оголихина Э.А., позволяющей прогнозировать скорость пластической деформации и время устойчивого состояния терригенных пород. Как показали наши исследования при температуре 1200 С и всестороннем гидравлическом обжиме 20 мПа на искусственных образцах керна (неустойчивые аргиллиты), уже при концентрации 0,2-0,6% СУФР-Б повышает деформационную стойкость аргиллитов в глинистом растворе в пределах, сопоставимых к действию растворов на углеводородной основе, содержащих битумный концентрат, что подтверждено результатами промысловых испытаний в Республике Коми.
Были проведены лабораторные исследования силикатных композитов на основе порошкообразного силиката натрия «Монасил». Модернизированный натриевый силикат (Монасил) выпускается ЗАО «ВитаХим» по ТУ 2145-001-75105538-2005 и представляет собой гранулированный порошок белого цвета. Исследовали следующие составы силикатных разжижающих и ингибирующих реагентов (РИБР):
РИБР-Л РИБР-Ф (Монасил 6/4 )
Монасил - 50% Монасил - 60%
ФХЛС - 50% ТПФН - 40%
РИБР -ЛФ РИБР-УФ
Монасил - 30% Монасил - 30%
ФХЛС - 50% УЩР (БРЕГ) - 50%
ТПФН - 20% ТПФН - 20%
В результате экспериментальных исследований, проведенных совместно с Кашкаровым Н.Г. (ТюменНИИгипрогаз), установлено, что:
- снизить условную и пластическую вязкость, статическое и динамическое напряжение сдвига высоковязких глинистых растворов без добавок утяжелителей можно добавками 0,2-0,5% реагента, утяжеленных глинистых растворов - 0,5-2%;
- термообработка (900С-2ч.) не приводит к существенному увеличению расхода реагента;
- обработка силикатным композитом в указанных концентрациях приводит к незначительному снижению водоотдачи глинистых растворов и практически не сказывается на смазочных свойствах (коэффициенте трения по прибору ФСК-4);
- разжижающий эффект действия реагентов сохраняется до температур 100-1100 С.
Ингибирующую способность композиционных силикатных реагентов РИБР по отношению к богандинской глине (с выходом 2,4 м3 /т), по минералогическому составу близкой к разбуриваемым терригенным отложениям Западной Сибири, оценивали с помощью тестера продольного набухания компании «OFITE» в динамическом режиме. Сравнение коэффициентов набухания богандинской глины в дистиллированной воде, 5%-ном растворе хлористого калия и 3,5%-ных водных растворах силикатов представлено на рисунке 1.
Установлено, что процесс набухания глины протекает с разной интенсивностью. На начальной стадии (время набухания ограничено 60 мин.)
наилучшие результаты по ингибированию проявляет порошкообразный БСР (производство ООО «СИТЕКО»), калиевый Монасил, которые превосходят результаты 5 %-ного раствора хлористого калия. При долговременных исследованиях (время набухания ограничено 180 мин.) 5%-ный раствор хлористого калия показывает лучшие результаты, а силикатные растворы по снижению степени набухания располагаются в следующем ряду: калиевый Монасил, жидкий БСР, натриевый Монасил (модуль 2,65) и порошкообразный БСР. Таким образом, можно сделать вывод о высокой ингибирующей способности малосиликатных буровых растворов с Монасилом.
В связи с планами существенного расширения объемов буровых работ в Восточной Сибири и Якутии были проведены работы по совершенствованию рецептур буровых асбогелевых растворов, широко применявшихся ранее в Восточной Сибири и Якутии.
Рисунок 1-Набухание богандинской глины с выходом 2,4 м3/т в буровых растворах при 25ОС
| Условные обозначения: |  |
Опыт работ ПГО «Ленанефтегазгеология» показал целесообразность обработки исходного бурового раствора - рассола хлористого натрия, кислой асбестовой затравкой (КАЗ). Полученные буровые растворы были названы асбогелевыми. В качестве «кислой соли» нами было предложено использовать сернокислые соли алюминия (сульфат алюминия, алюмокалиевые или алюмоаммонийные квасцы). Опыт применения АГР, как
и полимерных алюмосиликатных растворов (ПАСР), показал способность этих систем предотвращать осыпи и обвалы глин и аргиллитов подсолевых отложений. В дальнейших опытах нами предложено использовать смешанные алюмокалиевые и натриевые квасцы – реагент, названный нами «КАС» - кислый алюмосиликат и порошкообразный силикатный реагент «Монасил». Результаты лабораторных исследований АГР, позволяют рекомендовать такого рода буровые растворы при бурении скважин на подсолевые отложения.
В лабораторных условиях установлено, что модификация технической КМЦ отработанным растительным маслом (ОПМ), омыленным таловым пеком, позволяет кратно снизить липкость глинистой корки. Добавка 10-15 % ОПМ к КМЦ на стадии ее производства позволяет снизить липкость фильтрационной корки полимерглинистого раствора с 0,5-0,7% до 0,2-0,25. В результате создаются предпосылки для повышения устойчивости ствола скважины при разбуривании неустойчивых терригенных отложений. Дополнительное введение в этот реагент омыленного талового пека (ОТП) (до 30-40% к массе КМЦ) позволяет повысить ингибирующее и крепящее действие глинистых растворов. Ингибирующие свойства водорастворимых эфиров целлюлозы (КМЦ и КМОЭЦ) можно повысить добавками кремнийорганических жидкостей (ГКЖ-10, ГКЖ-11). Опытные партии таких композиционных реагентов выпущены ЗАО «Полицелл» (г. Владимир). Серийное производство водорастворимых эфиров целлюлозы с улучшенными реологическими свойствами, повышенной термостойкостью специалистами АО ВНИГНИ было организовано на Наманганском химическом заводе. Модифицирование водорастворимых эфиров целлюлозы и получение продуктов пролонгированного действия позволяет заметно повысить время между химическими обработками бурового раствора с целью поддержания показателя водоотдачи на заданном низком уровне для сохранения устойчивости проходимых горных пород. Промышленные испытания карбодиамина, выпущенного на Наманганском химическом заводе, проведены в ПГО «Ленанефтегазгеология» при приготовлении полимерных алюмосиликатных растворов (ПАСР) в процессе вскрытия неустойчивых аргиллитов подсолевого комплекса.
В результате экспериментальных исследований в 1988-1992 г.г., было разработаны и запатентованы две композиции, содержащие жидкое стекло:
1. Смазочный реагент к буровым растворам «СДЭБ», в состав которого
входят техническое (некондиционное) подсолнечное масло -50-70%, кубовый
остаток олеиновой кислоты 5-15%, жидкое стекло 2-5% и вода (остальное).
2. Смазочный реагент к буровым растворам «РАМБС», содержащий в качестве основного активного компонента отработанное подсолнечное масло (50-70%), в качестве эмульгатора – борную кислоту (0,3-0,5%), гелеобразователь - жидкое стекло (2-5%) и воду (остальное).
Лабораторные исследования смазочной способности РАМБС и СДЭБ выполняли с помощью машины трения МТ-1 и на 4-х шариковой машине трения МАСТ-1. Для измерения коэффициента трения (липкости) фильтрационной корки буровых растворов использовали прибор конструкции ГрозНИИ и приборы ФСК-4. При сравнительных испытаниях смазочных добавок определяли коэффициент трения с использованием тестера смазочной способности фирмы OFITE. Промысловые испытания буровых растворов, обработанных смазочными добавками РАМБС, СДЭБ совместно с силикатными реагентами-разжижителями и ингибиторами (СУФР, СУФР-Б и др.), показали возможность использования таких промывочных систем для безаварийной проводки скважин в неустойчивых терригенных отложениях.
Третий раздел посвящен исследованиям гидроизоляционных составов на основе гелеобразующих растворов алюмокремниевой кислоты, получаемых путем кислотного разложения природных щелочных силикатов (нефелина, доломита и некоторых видов шлаков). Регулируя параметры разложения нефелина (НК) можно получать золи с заданным временем полимеризации. Стандартный нефелиновый концентрат ПО «Апатит» представляет собой порошкообразный материал, классифицированный по классу 0,2 мм. Класс - 0,2 мм составляет 70%, 0,2-0,5- 25%, зерен до 1 мм содержится не более 3-5%. В состав нефелинового концентрата входят следующие минералы: нефелин 78-82%, апатит -0,3-1,5%, эгерий - 3-4%, полевой шпат – 10-12%, сфен - 0,1%, титаномагнетит – 0,1%, гидрослюды-2,5-3%. Типичный состав нефелинового концентрата %: SiO2 - 43,4; Na2O - 9,3; К2O - 6,0;. Fe2O3 - 5,4 ; АI2O3 -27,0; Р2O5 -1,0; F-0,15; Мg - 0,6; СаО-3,3. Водные вытяжки из нефелина имеют щелочную реакцию (рН 8,5).
Для разложения нефелина можно использовать любые сильные кислоты - серную, азотную, соляную, фосфорную. С экологической точки зрения предпочтительнее использовать серную, чтобы исключить образование токсичных летучих соединений
С точки зрения получения гелеобразующих составов для нужд строительства и капитального ремонта скважин, как показали опыты, целесообразно использовать разбавленную товарную (95-98 %-ную) серную кислоту (конечная концентрация H2SO4 не более 13-15%). Величину добавки НК следует ограничить 15-20%.
В задачу лабораторных исследований, выполненных совместно с Подхалюзиным В.С. и Ноздрей В.И. (ГИГХС), прежде всего, входил выбор параметров разложения, при которых получается устойчивый золь с заданным сроком полимеризации. Последовательность проведения работ была такова. После приготовления раствора серной кислоты (10-15%) в него при непрерывном перемешивании вводился нефелиновый концентрат в количестве 10-20% масс. При этом отмечается повышение температуры до 50-600С. Практически полное разложение НК завершается в течение 60 мин. Получающийся раствор (золь) не является равновесным. Через 5-20 ч., в зависимости от концентрации компонентов, начинается выпадение алюмокалиевых квасцов и частичный гидролиз сульфата алюминия. Одновременно протекают реакции полимеризации кремниевой кислоты (старение золя). При рН менее 3 золи НК достаточно устойчивы. Подщелачивание раствора приводит к быстрой коагуляции и полимеризации. Начало старения золя отмечается по помутнению раствора, которое обусловлено увеличением размера коллоидных частиц. Понижение температуры увеличивает время начала застудневания. Если, после перехода геля в упругое состояние (студень), последний разбавить водой и подвергнуть механическому разрушению, то система потеряет свои упругие свойства и превратится в однородную желеобразную массу.
Реологические исследования золей НК выполняли в следующей последовательности. После растворения НК полученный кислый золь делили на две части. Одну часть использовали для визуальных наблюдений (определения времени образования геля и изменения величины рН), другую - для измерения реологических и прочностных характеристик геля и студня. В результате проведенных предварительных исследований было установлено, что процесс перехода золя в гель характеризуется увеличением величины рН системы. На время гелеобразования решающее значение оказывает концентрация кислоты в растворе. Процесс структурообразования рассматриваемых систем изучали следующим образом. Свежеприготовленный золь помещался в рабочую камеру ротационного вискозиметра ВСН-3. В процессе структурообразования смесь в камере прибора находилась в состоянии покоя. Периодически, через равные промежутки времени измерялись реологические характеристики (пластическая эффективная вязкость пл и динамическое напряжение сдвига 0) до момента перехода исследуемого золя в гель. Далее, в процессе перемешивания (600 об/мин.) периодически определяли реологические характеристики геля до момента его застудневания (рисунок 2).
Чем больше концентрация серной кислоты и содержание нефелинового концентрата, тем быстрее гель переходит в студнеобразное состояние. Как показали опыты по разбавлению золей НК, при содержании компонентов менее 6-7% время гелеобразования превышает 3-5 сут.
Для оценки прочностных свойств и упругости студней НК использовали пластометр Ребиндера. В процессе исследований был проверен также метод двух конусов (с углами 30 0 и 90 0 и одинаковой массой 345 г.). Изменение прочности студней НК во времени приведено на рисунке 3. Повышение концентрации кислоты и нефелина приводит к существенному росту прочности студней, особенно в ранние «сроки жизни». Учитывая, что время, необходимое для подготовки и закачки гидроизоляционной смеси в скважину, составляет не менее 2-4 ч., дальнейшие исследования проводили с растворами серной кислоты 12 -15%-ной концентрации.
Рисунок 2 - Изменение динамического напряжения сдвига во времени.
Содержание компонентов: серная кислота – 13% ; НК - 15%
Опыты по моделированию связывания буровых технологических жидкостей (глинистого раствора, рассола хлористого натрия, цементного раствора) показали способность кремнегелевых составов обеспечивать гидроизоляцию пластов и выполнение функции вязкоупругого (студнеобразного) разделителя.
Для проведения гидроизоляционных работ при отрицательных температурах к раствору разбавленной серной кислоты необходимо добавлять антифриз, например «Тосол» или спиртосодержащие реагенты, в том числе и отходы производства.
Рисунок 3 - Изменение прочности студней НК во времени.
Экспериментально установлено, что для приготовления золей НК можно использовать не только товарную концентрированную серную кислоту, но и сернокислотные отходы производств, например раствор отработанных автомобильных аккумуляторов, содержащий 30-33 % серной кислоты. Вместо технической воды для приготовления раствора серной кислоты можно использовать такие отходы производств, как сточные воды химических и других предприятий, в том числе и из накопителей (шламовых амбаров, иловых карт, хвостохранилищ и т.п.). Последнее было подтверждено опытами со сточной водой, отобранной из отстойника АО «Аромасинтез», г. Калуга.
Повысить прочность и упругость студня, как тампонирующего материала, можно путем введения в ее состав органических соединений (спирты, альдегиды и т.п.) и армирующих добавок (асбест, опилки, микросферы и др.).
Обобщая результаты проведенных испытаний, рекомендуем рассмотренную технологию получения золей-гелей-студней НК к применению при проведении технологических операций в скважинах (и других горных выработках), связанных с закреплением горных пород, изоляции поглощающих и проявляющих пластов.
По результатам экспериментальных исследований разработаны «Практические рекомендации по приготовлению и применению гелеобразующих составов».
При старении студня НК на открытом воздухе при комнатной температуре происходит постепенное выделение кристаллов белого цвета и в конечном итоге, в течение нескольких суток, весь студень превращается в порошкообразную массу. Ускорить процесс перехода студня НК в кислый порошкообразный алюмосиликат (КАС) можно путем механического измельчения студня и подсушки его при повышенной температуре (60-800 С). 5 %-ный раствор из этого порошка КАС имеет рН 3,5. Учитывая, столь низкие значения рН, предстояло выбрать те направления использования КАС, где его кислотность является достоинством. В первую очередь рассмотрели вариант применения КАС для получения кислой асбестовой затравки при приготовлении асбогелевых растворов (АГР). В опытах использовали товарный асбест марки а6К-30 комбината «Асбест» Свердловской обл. Порядок приготовления АГР: рассол хлористого натрия + КАС + асбест + щелочной электролит + полимерный реагент-стабилизатор (водорастворимый эфир целлюлозы или крахмальный реагент).
Совмещая КАС с Монасилом получены силикатные комбинированные ингибиторы буровых растворов КИБР-С.
В четвертом разделе приведены результаты работы опытного производства АО ВНИГНИ по испытанию и внедрению разработок.
Либерализация цен в России в начале 90-х годов привела к резкому увеличению стоимости всех товаров, в том числе и химических реагентов для бурения скважин. В этих условиях особую актуальность приобрели вопросы изыскания дешевых и доступных реагентов, и в первую очередь, на основе отходов, пригодных для использования в буровой практике.
Одновременно с обеспечением буровых предприятий эффективными химическими реагентами решается вопрос улучшения экологической обстановки в местах образования отходов производств.
В этой связи определенный интерес может представить опыт Апрелевского отделения ВНИГНИ (в настоящее время Филиал АО ВНИГНИ), на базе которого был создан и в 1988-1993г.г. функционировал хозрасчетный участок (ОПХБУ) по производству комбинированных химических реагентов многофункционального действия на основе крупнотоннажных отходов производств, преимущественно предприятий Москвы и Московской области.
Для производства композиционных реагентов-ингибиторов буровых растворов и комбинированных смазочных добавок многофункционального действия использовалось оборудование, имеющееся на территории АО ВНИГНИ (глиномешалки, шаровая мельница, грузоподъемные механизмы и др.). Процесс производства жидких и сухих реагентов рассчитан таким образом, что на весь процесс выпуска реагентов затрачивается не более 4-6 ч.
Основными потребителями продукции участка по производству реагентов являлись буровые предприятия и сервисные организации. Наибольший объем выпуска продукции ОПХБУ был достигнут в 1992 году более 1,5 тыс. т.
Результаты лабораторных исследований и стендовых испытаний были подтверждены в процессе промышленного внедрения СУФР, СУФР-Б, РАМБС и СДЭБ в Коми Республике, Тюменской обл., Краснодарском крае и других регионах СНГ (более 50 скважин). В наибольших объемах использовались модифицированные СУФР-Б («Кольмасил») и РАМБС – комбинированные реагенты на основе борсиликатного геля, получаемые по гель-технологии.
Достаточно убедительно показано, что реагенты серии СУФР-Б являются эффективными понизителями вязкости и статического напряжения сдвига при минимальных (0,1-0,3%) добавках в условиях разбуривания легкодиспергируемых глин, интенсивно переходящих в буровой раствор. Опыт работы Сибирской технологической компании («СИТЕКО») при сопровождении внедрения «Кольмасила» в Западной Сибири показал целесообразность обработки глинистых растворов этим реагентом непосредственно перед проведением геофизических исследований с целью достижения свободного прохождения каротажных приборов до забоя скважин. Результаты применения СУФР-Б при вскрытии продуктивных отложений позволяет утверждать, что наличие этих реагентов в глинистом растворе не приводит к уменьшению дебита в нефтяных скважинах. В газовых скважинах отмечен факт 1,5-кратного увеличения дебита по отношению к ожидаемому (скважина №100 Быстрянская в Краснодарском крае).
Смазочная добавка «РАМБС» успешно использовалась при строительстве более 30 скважин в Тюменской, Оренбургской, Иркутской, Московской и Мурманской обл., Коми Республике. Величина добавки – 0,5-0,8 % к объему бурового раствора. В Западной Сибири в большинстве случаев РАМБС применяли совместно с силикатными ингибиторами буровых растворов. Расчеты показали, что применение «Кольмасила» + смазочная добавка, при бурении скважин в Тюменской обл., позволило получить в 1990 г. экономический эффект в размере 1,5- 5 руб. на 1 м проходки.
Опыт работы опытного участка АО ВНИГНИ был учтен при организации опытных производств химических реагентов для бурения скважин (смазочных добавок и полимерных композиций) ЗАО «Минресурс» (г.Люберцы, г.Старая Купавна) и ООО «Гемера М» (п. Селятино Московской обл.). В процессе выходного контроля было подтверждено, что наилучшим сырьем для приготовления комбинированных смазочных добавок является соевое масло.
Опытная партия (5т) комбинированного реагента Монасил-С, содержащего 80% Монасила Н-28 и 20% ТПФН, выпущена ЗАО «ВитаХим». Этот материал, в свою очередь, намечено использовать в сочетании с кислым алюмосиликатом «КАС» при изготовлении комбинированных ингибиторов буровых растворов КИБР-С, («СИЛВО»).
Положительные результаты получены при использовании гель-технологии НК на Самотлорском месторождении («Черногорнефть»). В нагнетательную скважину (СКВ. 16034) промыслового пласта с высокой начальной обводненностью продукции (95-99%) закачали 80м3 золя НК. В последующие три месяца из 4-х соседних добывающих скважин было дополнительно получено около 4 тыс. тонн нефти.
Применение гидродинамической активации в процессе производства многокомпонентных смазочных добавок, проводились с использованием роторно-пульсационных аппаратов (РПА) производства ОА «ЭНА» (стендового РПА-1,5 и промышленного РПА-5). Подтверждено, что с использованием РПА можно быстро приготовить многокомпонентные однородные смазочные добавки с участием таких трудно совместимых, в обычных условиях перемешивания, компонентов, как рыбий жир и олеиновая кислота. Собственно сама гомогенизация и активация в камере РПА занимает не более 20-30 мин. Суточная стабильность таких смазочных добавок - 87-94%.
Использование РПА позволяет повысить качество и многокомпонентных силикатных химических реагентов - ингибиторов буровых растворов СУФР-Б и БСР при одновременном существенном (2-2,5-кратном) сокращении времени приготовления реагентов.
В настоящее время РПА-5 успешно применяются в цехах ЗАО «Минресурс» и ЗАО «ГЕМЕРА М» при производстве смазочных добавок «ССД-2» и «ЖИРМА». Рекомендовано использовать более мощный роторно-пульсационный аппарат РПА-25 при производстве композиционных смазочных добавок серии «БТ-ЛУБ», в состав которых входит высоковязкая полимерная эмульсия (материал МТМ-1 - «Нефтелуб»).
Основные выводы и рекомендации
- На основании обобщения экспериментальных исследований и промысловых испытаний буровых растворов при строительстве геологоразведочных скважин в сложных геолого-технических условиях обоснована необходимость разработки и применения ингибированных буровых растворов и эффективных технологий для обеспечения долговременной устойчивости ствола, надежной гидроизоляции поглощающих и проявляющих пластов.
- Для бурения в неустойчивых терригенных отложениях разработаны комбинированные силикатные реагенты - ингибиторы на основе товарного жидкого стекла и порошкообразного модернизированного силиката «Монасил». Установлено, что для существенного уменьшения показателей структурно-реологических свойств глинистых растворов вполне достаточна добавка 0,2-0,5% комбинированного силикатного реагента СУФР, СУФР-Б или РИБР-УФ, РИБР-ЛФ. Ингибирующий эффект начинает проявляться при большей добавке этих реагентов более 0,5-0,7%.
- Исследованиями на модернизированных установках УИПК-1М и «Керн-5», позволяющих приблизительно воспроизводить скважинные условия, показано, что СУФР и СУФР-Б значительно замедляют процесс гидратации и способствуют сохранению устойчивости глин в течение большего периода времени, чем хлоркальциевый и нефтеэмульсионный растворы. Разработаны рецептуры и даны рекомендации по рациональному применению торфо-силикатных и алюмосиликатных асбогелевых буровых растворов.
- Доказана необходимость совместного применения композиционных силикатных реагентов и смазочных добавок с целью обеспечения необходимого ингибирующего и крепящего действия для исключения прихватоопасных ситуаций в скважине.
- На основании экспериментальных и промысловых исследований обобщены результаты применения реагентов на основе водорастворимых эфиров целлюлозы с улучшенными смазочными и ингибирующими свойствами ( карбодиамин, КМЦ-ОПМ, КМОЭЦ-ГКЖ).
- С целью укрепления неустойчивых отложений, изоляции поглощающих и проявляющих горизонтов разработана гель-технология и исследованы гидроизоляционные смеси на основе нефелинового концентрата..
- Разработана технология получения и даны рекомендации по применению кислых алюмосиликатных реагентов (КАС) – коагулянтов и ингибиторов. Разработаны составы и технология получения комбинированных ингибиторов буровых растворов (КИБР-С) на основе порошкообразного силиката Монасил и КАС.
- Организовано мелкосерийное производство композиционных силикатных реагентов многофункционального действия – ингибиторов разупрочнения горных пород и смазочных добавок к буровым растворам. Доказана возможность и целесообразность применения в качестве сырьевых компонентов композиционных силикатных реагентов и смазок многотоннажных отходов (некондиционных продуктов) переработки растительных масел, синтетических душистых веществ, природных алюмосиликатных материалов.
- Разработанные комбинированные химические реагенты успешно внедрены при бурении более 50 скважин в России и странах СНГ (Тюменская, Мурманская, Московская обл., Краснодарский край, Республика Коми и др.), в том числе при строительстве наклонно-направленных и морских скважин. На практике доказана возможность существенного сокращения расхода товарного жидкого стекла и Монасила при использовании композиционных силикатных реагентов – ингибиторов.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
- Захаров А.П., Коновалов Е.А., Иванов Ю.А. Innovative mud additives developed from industrial wastes. Oil&Gas Journal, 1994, №3 С. 17-23.
- А.с.1808861 (СССР). Смазочный реагент к буровым растворам /Коновалов Е.А., Иванов Ю.А., Пичугин В.Ф. и др. – Опубл. в БИ, № 14, 1991.
- А.с.1808862 (СССР). Смазочный реагент к буровым растворам / Коновалов Е.А., Розов А.Л., Иванов Ю.А. – Опубл. в БИ, № 14, 1991.
- Иванов Ю.А., Коновалов Е.А., Гроссман Г.П. Где взять химические реагенты для бурения скважин? НТЖ «Нефтяник», 1992, № 2, С.25.
- Иванов Ю.А., Коновалов Е.А., Кашкаров Н.Г. Совершенствование буровых технологических жидкостей для предупреждения и ликвидации осложнений при строительстве скважин. Строительство нефтяных и газовых скважин.2009, №5,С.15.
- Кашкаров Н.Г., Коновалов Е.А., Иванов Ю.А., Зотов В.А. Силикатные ингибиторы буровых растворов. Совершенствование технологии заканчивания скважин. Материалы заседания секции «Бурение и строительство скважин» Научно-технического совета ОАО «Газпром»(г.Кисловодск, 6 октября 2008г.) М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2008-120 с.
- Тесленко В.Н., Тимохин И.М., Иванов Ю.А Буровые растворы ингибирующего действия на основе карбоксиметилоксиэтилцеллюлозы. Москва, ВНИИОЭНГ, НТЖ «Геология, геофизика и разработка нефтяных месторождений», 2000, № 12, С.3.
- Тесленко В.Н., Тимохин И.М., Иванов Ю.А Буровые растворы на основе карбоксиметиловых эфиров целлюлозы для бурения наклонных и горизонтальных скважин. Москва, Тезисы доклада 3-й Международный семинар «Горизонтальные скважины» (29-30 ноября 2000 г.), 2000, С.1.
- Тимохин И.М., Тесленко В.Н., Иванов Ю.А Оксиэтилцеллюлоза пролонгированного действия в качестве стабилизатора промывочных жидкостей для бурения и вскрытия продуктивных горизонтов. Санкт-Петербург, Тезисы доклада второго международного симпозиума «Нетрадиционные источники углеводородного сырья и проблемы его освоения», 1997, С.23.
- Тимохин И.М., Тесленко В.Н., Иванов Ю.А и др. Термо-и солестойкие карбоксиметиловые эфиры целлюлозы, модифицированные синергетическими смесями антиоксидантов. Москва, Тезисы доклада «Перспективные направления, методы и технологии комплексного изучения нефтегазоносности недр» (секция 1, геология, 3-4 ноября 1999 г., XV Губкинские чтения), 1999, С.6.
- Тесленко В.Н., Тимохин И.М., Иванов Ю.А. Водорастворимые эфиры целлюлозы - основа обработки буровых растворов при бурении на нефть и газ. М.ВНИГНИ, 2008, 166с.
Соискатель Ю.А. Иванов
