Повышение термостойкости буровых промывочных растворов

     4 Спецтема: Повышение термостойкости буровых промывочных растворов 

     4.1 Введение 

    В кругу проблем нефтепромысловой химии одно из первых мест принадлежит буровым растворам. Это обусловлено их значением как среды, в которой происходит разрушение горных пород, и тем, что они несут ряд ответственных технологических функций, в большой мере определяющих успех бурения. Современные буровые растворы представляют собой сложные многокомпонентные системы, приготовление и регулирование свойств которых все более выделяется в самостоятельную отрасль буровой техники, имеющую свои специфические проблемы и особенности. Придание буровым растворам заданных свойств и показателей и поддержание их на определенном уровне в период углубления скважины является весьма сложной технической задачей, которая разрешается средствами и методами химической обработки, под которой следует понимать весь комплекс физико-химических воздействий на раствор.

     Актуальность темы. Современное состояние и перспективы развития химической обработки буровых растворов требуют неукоснительного обеспечения не только технологических свойств коагуляционным системам для выполнения ими прямого функционального назначения, но и комплекса физико-химических свойств для успешного углубления скважин.

     Результаты бурения глубоких и сверхглубоких скважин в различных горногеологических условиях показали, что принятие компромиссных решений приводит в целом ряде случаев к возникновению осложнений и аварий.

     Так, использование термоустойчивых рецептур буровых растворов при не соблюдении комплекса технологических свойств для выполнения функционального назначения буровой системы приводит к тяжелым последствиям в случае, например, низкой ингибирующей способности или высокой эррозионной активности этой системы.

     Таким образом, разработка термостойких полисахаридных буровых растворов, обеспечивающих безаварийную проводку скважин с оптимальными технико-экономическими показателями является актуальной проблемой и зависит от решения комплекса задач, направленных на создание и регулирование физико-химических и функциональных технологических показателей коагуляционных систем.

     Решение поставленной задачи достигается путем использования для обработки буровых растворов набора химических реагентов.

     Цели:

     1) исследование реагентов, повышающих устойчивость глинистых буровых растворов к высоким температурам;

     2) анализ лабораторных исследований глинистых растворов с добавкой термостойких реагентов.

     Задачи:

     1) проанализировать литературные данные;

     2) изучить реагенты, устойчивые к высоким температурам;

     3) предложить методы решения проблемы. 
 

     4.2 Буровые промывочные растворы

     4.2.1 Понятие о буровом растворе

     При бурении вращательным способом в скважине постоянно циркулирует поток жидкости, которая ранее рассматривалась только как средство для удаления продуктов разрушения (шлама). В настоящее время она воспринимается, как один из главных факторов обеспечивающих эффективность всего процесса бурения.

     При проведении буровых работ циркулирующую в скважине жидкость принято называть - буровым раствором или промывочной жидкостью Буровой раствор кроме удаления шлама должен выполнять другие, в равной степени важные функции, направленные на эффективное, экономичное, и безопасное выполнение и завершение процесса бурения. По этой причине, состав буровых растворов и оценка его свойств, становится темой большого объема научно-практических исследований и анализа. 

    4.2.2 Условия бурения с применением буровых промывочных жидкостей 

     В процессе бурения нарушается равновесие пород, слагающих стенки скважин. Устойчивость стенок зависит от исходных прочностных характеристик горных пород, их изменения во времени под действием различных факторов. Большая роль здесь принадлежит процессу промывки и промывочному агенту. Основная задача промывки – обеспечение эффективного процесса бурения скважин, она включает в себя сохранение, как устойчивости стенок скважин, так и керна. 
В условиях, когда нарушена целостность породы, большую роль играет горное давление. В приствольной части скважины оно проявляется как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении. Боковое давление является следствием вертикального и вызывает касательные напряжения, способствующие выпучиванию пород, сужению ствола и обвалообразованию. Величина касательных напряжений зависит не только от горного давления, но и от давления промывочной жидкости. 

     4.2.3 Способы промывки 

     При бурении скважин промывочная жидкость должна циркулировать по замкнутому гидравлическому контуру. В зависимости от вида гидравлического контура все существующие системы промывки делятся на две группы:

     1) системы промывок с выходом раствора на поверхность;

     2) системы промывок с внутрискважинной циркуляцией.

     В зависимости от направления движения промывочной жидкости по отношению к буровому инструменту промывка с выходом ее на поверхность осуществляется по одной из приведенных на рисунке 4.1. схем. 

а –  прямая промывка, б – обратная промывка, в – обратная промывка через двойную  колонковую трубу, г – комбинированная  промывка

Рисунок 4.1 Схемы промывки с выходом бурового раствора на поверхность 
 

     4.2.4 Функции бурового раствора 

     Существуют следующие функции бурового раствора:

     1). Удаление продуктов разрушения из скважины;

     2). Охлаждение породоразрушающего инструмента и бурильных труб;

     3). Удержание частиц выбуренной породы во взвешенном состоянии;

     4). Создание гидростатического равновесия в системе "ствол

скважины  – пласт";

     5). Сохранение проницаемости продуктивных горизонтов;

     6). Перенос энергии от насосов к забойным механизмам;

     7). Обеспечение проведения геофизических исследований;

     8). Предохранение бурового инструмента и оборудования от коррозии и абразивного износа;

     9). Закупоривание каналов с целью снижения поглощения бурового раствора и водопритоков;

     10). Предотвращение газо-, нефте-, водо проявлений;

     11). Снижение коэффициента трения. 

     4.2.5 Классификация буровых растворов 

     В практике бурения в качестве буровых растворов используются:

     1) вода;

     2) водные растворы;

     3) водные дисперсные системы на основе:

        – добываемой твердой фазы (глинистые, меловые, сапропелевые, комбинированные растворы);

        – жидкой дисперсной фазы (эмульсии);

        – конденсированной твердой фазы;

        – выбуренных горных пород (естественные промывочные жидкости);

     4) дисперсные системы на углеводородной основе;

     5) сжатый воздух.

     В исключительных условиях для промывки скважин используются углеводородные жидкости (дизельное топливо, нефть).

Все дисперсные системы с твердой фазой могут  быть с малым (до 7%), нормальным (до 20 – 22%) и повышенным содержанием (более 20 – 22%) твердой фазы.

     Буровые растворы в определенных условиях могут искусственно насыщаются воздухом и переходят в категорию аэрированных. В воде и водных растворах воздух в зависимости от его содержания может выступать в качестве дисперсной фазы или дисперсионной среды. В последнем случае промывочные жидкости называют пенами.

     По назначению буровые растворы подразделяются на:

     1) жидкости для нормальных геологических условий бурения (вода, некоторые водные растворы, нормальные глинистые растворы);

     2) жидкости для осложненных геологических условий бурения. 

     4.2.6 Параметры буровых растворов 

     Буровой раствор не может в одинаковой мере выполнять все функции. И главное не всегда это необходимо. Поэтому для конкретных условий бурения определяется набор основных функций бурового раствора и те свойства, которые обеспечат их выполнение. Задаче получения заданных свойств должны быть подчинены все работы по подбору рецептур (состава) раствора и их регулированию. При этом необходимо сохранить на приемлемом уровне остальные параметры промывочного агента.

     В процессе бурения буровой раствор взаимодействует с разбуриваемыми породами, пластовыми водами, подвергается воздействию механических нагрузок, температуры, давления, атмосферного воздуха, осадков. В нем происходят внутренние процессы, связанные с ослаблением электрических зарядов на частицах и старением составляющих компонентов. Все это приводит к ухудшению свойств раствора, он теряет способность выполнять необходимые функции. Поэтому в процессе бурения требуется восстанавливать и поддерживать его необходимые свойства. 
     Нередко чередование пород в геологическом разрезе вызывает необходимость в изменении некоторых функций бурового раствора. Поэтому, если можно не заменять раствор, его свойства регулируют в процессе бурения на подходе к соответствующему интервалу.

     Таким образом, необходимость в регулировании свойств бурового раствора возникает в следующих случаях:

    1) при приготовлении - для получения раствора с заданными свойствами;

     2) в процессе бурения - для поддержания требуемых функций;

     3) в процессе бурения - для изменения параметров применительно к изменяющимся геологическим условиям.

     Свойства бурового раствора регулируют:

• химической обработкой (путем введения специальных веществ - реагентов);
• физическими методами (разбавление, концентрирование, диспергация, утяжеление, введение наполнителей);
• физико-химическими методами (комбинация перечисленных методов).

     4.2.7 Методы измерения параметров буровых растворов 

     1) Плотность

Прибор  АБР-1 предназначен для измерения  плотности буровых или любых  других растворов.

     Прибор состоит из мерного стакана, донышка, поплавка, стержня и съемного калибровочного груза.. 

Рисунок 4.2 - Прибор АБР-1 

     Диапазон измерения плотности, г/см.куб:

    - с калиброванным грузом 0,8...1,7

     - без калиброванного груза 1,7...2,6

     Цена деления шкалы ареометра (основной и поправочной), г/см.куб 0,01

Рабочая среда ареометра - вода плотностью 0,96...1,039 г/см.куб. при температуре 5...50С° 

     2) Условная вязкость

     Стандартные полевые измерения вязкости бурового глинистого раствора проводятся с помощью вискозиметра буровых растворов ВБР-1 (рисунок 4.3)

     Вискозиметр ВБР-1, служащий для измерения условной вязкости, состоит из воронки, герметично соединенной трубки, сетки и мерной кружки.

     Порядок определения: взяв в руку воронку, устанавливают сетку на выступы, зажимают нижнее отверстие пальцем правой руки и заливают через сетку испытуемую жидкость до верхней кромки вискозиметра. Подставив мерную кружку под трубку вискозиметра, убирают палец и одновременно левой рукой включают секундомер. Воронку необходимо держать вертикально. Когда мерная кружка наполнится до края, останавливают секундомер, а отверстие воронки вновь закрывают. 

Рисунок 4.3  -  Вискозиметр ВБР-1 

     Условная вязкость определяется временем истечения 500 см³ раствора через трубку из воронки вискозиметра, заполненной 700 см³ раствора. За исходный результат принимают среднее значение результатов трех измерений, отличающиеся между собой не более чем на 2 с. 

     3) Реологические свойства бурового раствора

     Реологические свойства буровых растворов оказывают превалирующее влияние:

• на степень очистки забоя скважины от шлама и охлаждения породоразрушающего инструмента· транспортирующую способность потока;
• величину гидравлических сопротивлений во всех звеньях циркуляционной системы скважины;
• величину гидродинамического давления на ее стенки и забой в процессе бурения;
• амплитуду колебаний давления при пуске и остановке насосов, выполнении СПО и проработке скважины с расхаживанием бурильной колонны
• интенсивность обогащения бурового раствора шламом
• скорость эрозии стенок скважин и др.

     Среди известных реологических моделей буровых растворов наибольшим распространением в отечественной и зарубежной практике пользуются модели Бингама - Шведова и Оствальда -де Ваале. 

Рисунок 4.4  - Ротационный вискозиметр 

     С помощью величин реологических характеристик можно определять коллоидно-химические свойства дисперсных систем, что очень важно для оценки качества промывочных жидкостей и выбора методов регулирования их свойств. 

     4) Показатель фильтрации

     Процессом фильтрации называют процесс разделения фаз дисперсной системы, происходящий при движении системы через пористую среду, размер пор которой того же порядка, что и размер частиц дисперсной фазы или меньше их.

     Объем фильтрата принято измерять через 30 мин после начала процесса. Логарифмическая зависимость позволяет ускорить измерение: объем фильтрата, выделившийся через 7,5 мин, практически равен половине объема, получаемого после 30 мин фильтрации.

     Различают статическую и динамическую фильтрацию. В первом случае единственным видом движения дисперсной системы над фильтрующей поверхностью является ее постепенное поступление в пористую среду. При динамической фильтрации дисперсная система принудительно, например с помощью мешалки, перемещается относительно фильтрующей поверхности и при достаточно высокой скорости размывает фильтрационную корку. Уменьшение толщины последней вызывает рост скорости фильтрации.

     Существующие приборы для измерения водоотдачи делятся на работающие под давлением и работающие под вакуумом. Первые подразделяются на приборы, измеряющие статическую водоотдачу, и приборы, измеряющие динамическую водоотдачу (в процессе циркуляции над фильтром). Последние сложны и пока используются лишь в научных исследованиях наиболее распространенным в практике разведочного бурения приборам относятся ВМ-6 (рис. 4.5.), в которых водоотдача измеряется в статическом состоянии при перепаде давления 0,1 МПа. За показатель фильтрации принимается количество жидкости, отфильтровавшейся через круглый бумажный фильтр площадью 28 см² за 30 мин. 

Рисунок 4.5 - Прибор ВМ-6 

     4.3 Влияние температуры на устойчивость глинистых растворов

     Забойные температуры многих глубоких скважин уже далеко перешагнули стоградусный рубеж, а порой достигает и 200ºС. Столь интенсивный нагрев резко снижает качество глинистых растворов, вплоть до потери ими рабочих свойств. В результате затрудняется дальнейшее углубление скважин, имеются серьезные осложнения и аварии. Повышение термостойкости промывочных растворов является поэтому одной из актуальных задач современной техники бурения.  

     4.3.1 Влияние температуры на коагуляцию

     Коагуляция (от лат. coagulatio- свертывание, сгущение) - объединение частиц дисперсной фазы в агрегаты вследствие сцепления (адгезии) частиц при их соударениях. Соударения происходят в результате броуновского движения, а также седиментации, механического воздействия на систему (перемешивания, вибрации) и др.

     Состояние коагуляции является основным в системе глина—вода. Высокодисперсные глинистые суспензии со свободной некомпенсированной поверхностной энергией термодинамически неравновесны. В первую очередь это обусловливает потерю агрегативной устойчивости, а во многих случаях и кинетической. Все процессы, протекающие в буровых растворах, так или иначе связаны с коагуляцией. Да и сама глина как горная порода является продуктом длительно идущих коагуляционных процессов.

     В практике бурения три фактора определяют развитие коагуляции буровых растворов: повышение концентрации твердой фазы, особенно глинистой; агрессия электролитов; нагревание. Действуя порознь или вместе, эти факторы обусловливают различные формы и уровни коагуляционных процессов.

     Нагревание чрезвычайно интенсифицирует все процессы, в обычных условиях заторможенные. При этом усиливается пептизация глинистых агрегатов, падает вязкость дисперсионной среды и защитных коллоидов. В связи с увеличением числа кинетически активных частиц и ослаблением защитного действия реагентов возрастают коагуляционные влияния, в частности, агрессия присутствующих электролитов. В зависимости от содержания твердой фазы и ее свойств, наличия стабилизирующих реагентов и агрессивных солей коагуляция при действии высоких температур может обусловить как коагуляционное разжижение, так и загустевание, но и в том и в другом случае возрастает водоотдача.

     После охлаждения, если деструкции защитных реагентов не произошло, фильтрационные свойства могут вновь улучшиться, но во всех случаях водоотдача будет больше, чем до термообработки. В результате усиления коагуляционного структурообразования охлажденные суспензии интенсивно загустевают, если только они не были обработаны соответствующими реагентами, например хроматами.

     Для повышенных температур, еще больше чем для обычных условий, имеют значение факторы концентрационного загустевания и электролитной агрессии. Глиноемкость и коагуляционная устойчивость термообработанных суспензий понижены. Уже небольшое содержание агрессивных солей, практически не замечаемое при умеренных температурах, при нагревании интенсивно форсирует коагуляцию. 

     4.3.2 Стабилизация растворов при термообработке

     Физический смысл стабилизации сводится к созданию таких условий, при которых не могут быть реализованы близкодействующие силы межчастичного притяжения. В ряду этих условий решающее значение имеет механическая прочность высокоструктурированных стабилизационных слоев, являющихся барьером, предотвращающим сближение частиц.

     В условиях обычных температур эти слои образуются при взаимодействии реагента с обменными катионами и отчасти с поверхностными атомами кристаллической решетки. При повышенных температурах происходит разрушение этих слоев как из-за термической неустойчивости реагентов, так и вследствие недостаточно прочной связи обменных катионов с поверхностью. В этом случае необходимы термостойкие стабилизаторы, прочно связанные с атомами на поверхности глины непосредственно или через мостики закрепившихся на ней переходных металлов, например хрома, т. е. обусловливающие хемосорбционное модифицирование поверхности, перерождающее ее коагуляционно-активные участки.

     При повышенных температурах происходит глобулизация макромолекул, сопровождаемая ростом водоотдачи. Охлаждение вновь ведет к развертыванию глобул и снижению фильтрации. Снижение защитного действия реагентов при нагревании объясняется их термической и термоокислительной деструкцией, как, например, в случае крахмала или карбоксиметилцеллюлозы. Этот эффект и другие необратимые процессы, происходящие при термообработке, обусловливают гистерезисные явления, отмечаемые при циклических нагреваниях и охлаждениях.

     В соответствии с этим для термостабильных растворов особое значение имеют реагенты, устойчивые при нагревании или приобретающие в результате его свойства, благоприятствующие стабилизации. Это присуще, например, акриловым полимерам (гипану, метасу и др.), термостойким из-за отсутствия легко окисляющихся и тому подобных связей и скрепляемых прочными связями – углерод.

     Другим примером является усиление с помощью хромпика окисления при термообработке гуматов и других реагентов, модифицирующего их и создающего новые функциональные группы, прочно связывающиеся с поверхностью кристаллической решетки глин. Модифицирование поверхности устойчивыми стабилизирующими слоями предотвращает коагуляционное структурообразование. Подобный эффект может быть достигнут и при введении в суспензию заранее окисленных хромлигносульфонатных комплексов. В этом случае стабилизация обеспечивается комплексообразованием высокомолекулярной фракции лигносульфонатов. Защитное комплексообразование является эффективным стабилизирующим методом. 

     4.4 Химические реагенты, повышающие термостойкость

     Химические реагенты являются главными средствами химической обработки буровых растворов, которые обеспечивают направленное изменение их технологических свойств. 

     4.4.1 Силикат натрия (жидкое стекло)

     Силикаты жидкого стекла являются неорганическими полимерами с конденсированными макроанионами и щелочными металлами в качестве катионов. Мономерами их  является метасиликат.

     В буровых растворах жидкое стекло применяется обычно совместно с другими реагентами и добавками и несет в зависимости от условий функции стабилизатора, структурообразователя, ингибитора, крепящего компонента и замедлителя термоокислительной деструкции.

     Небольшие добавки жидкого стекла (около 0,1—1%) интенсивно снижают вязкость пресных буровых растворов при обычных и высоких температурах. Как и у реагентов, избыток жидкого стекла играет уже коагулирующую роль, но вследствие его более мягкого действия это сказывается в первую очередь не на водоотдаче, а на реологических свойствах, вызывая коагуляционное структурообразование. 

     4.4.2 Хроматы и изополихроматы

     Хроматы и изополихроматы являются неорганическими полимерами.

     Наиболее  важные  химические свойства хроматов — сильная окислительная способность с восстановлением Cr^VI до Сг^ш и склонность к, интенсивному комплексообразованию. Однако в присутствии сильных восстановителей хроматы могут окислять в нейтральной и даже слабощелочной среде. При нагревании восстановление хроматов чрезвычайно усиливается и проявляется даже при высоких значениях рН. Заметно ускоряется этот процесс при 80° С, а при 130—150° С достигает максимума. В термообработанной глинистой суспензии, содержащей восстановитель, уже нет даже следов Cr^VI (рисунок 4.6)

     Ион Сг¹¹¹, особо активный в момент восстановления, образует с реагентом комплексные соединения, выпадающие в осадок или растворимые, прочно связывающиеся с глиной. Возможны и прямые связи Сг^ш с глиной. Сначала Сг^ш входит в обменный комплекс, вытесняя другие катионы, а затем при нагревании необменно закрепляется на кристаллической решетке. Это ингибирует глину и создает предпосылки для связывания с закрепившимся хромом макромолекул  реагента.

1) 2%-ный  раствор K₂CrO₄; 2) 4%-ный раствор K₂CrO₄

Рисунок 4.6 – Влияние нагревания на переход  Cr^VI и Cr^III в системе УЩР – хромат – вода 

     Подобный  механизм  в  том или ином варианте, в зависимости от примененного реагента, обусловил значительную эффективность обработок хроматами, получивших большое распространение для предотвращения высокотемпературного загустевания буровых растворов. 

      4.4.3 Гуматные реагенты

      В эту группу реагентов входят щелочные вытяжки из бурого угля и торфа и продукты их модификации.

     Значительное распространение УЩР обусловлено многофункциональностью его действия. Так УЩР является интенсивным пептизатором твердой фазы, особенно глинистой, эффективным понизителем водоотдачи и вязкости, эмульгатором и реагентом-регулятором рН.

     В отсутствии агрессии водоотдача растворов, обработанных УЩР, остается сравнительно небольшой даже при 200°С, но при этом резко усиливается загустевание. Злоупотребление добавками УЩР к растворам, содержащим небольшие количества глинистой фазы, приводит к стабилизационному разжижению вплоть до выпадения осадка при низких значениях водоотдачи.