CC BY
105
УДК 622.244.442
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СОСТАВА ЭМУЛЬСИОННЫХ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ НА ИХ ПОКАЗАТЕЛИ
© А.И. Ламбин1, В.М. Иванишин2, Р.У. Сираев3, Е.В. Аверкина4, Э.В. Шакирова5, А.В. Коротков6
1,4-6Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
2,3Иркутский филиал ООО «РН-Бурение», 664033, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 257.
В последние годы при бурении скважин на месторождениях Восточной Сибири наблюдается стабильное увеличение объемов применения буровых эмульсионных растворов на углеводородной основе, которые позволяют максимально сохранять коллекторские свойства призабойной зоны пласта, предотвращать затяжки и прихваты инструмента, обеспечивать устойчивость ствола скважины и вынос шлама. Кроме этого они имеют высокую смазывающую способность, столь необходимую для повышения технико-экономических показателей строительства наклонно -направленных скважин. В данной статье приведены результаты экспериментальных исследований эмульсионных растворов на углеводородной основе. В состав раствора входили следующие реагенты: нефть, дизельное топливо, органофильная глина, модификатор реологии, известь, смесь жидких эмульгаторов, смачивающий агент, соль, вода, утяжелитель и понизитель фильтрации. По результатам измерений физико-механических свойств исследуемых растворов была поставлена задача сравнить влияние каждого реагента на изучаемый технологический параметр. Установлено, что ввод реагентов Versatrol, Megamul и Versamod приводит к росту пластической вязкости раствора. Авторами представлена модель в виде системы алгебраических линейных уравнений и концентрационных диаграмм изучаемых растворов, позволяющая определять влияние каждого фактора и максимально эффективно регулировать физико-механические и фильтрационные свойства растворов в зависимости от технологической необходимости. Анализ диаграмм показал степень равномерности распределения реагентов в растворах.
Ключевые слова: эмульсионные растворы; реологические свойства; скважина; наклонно-направленные скважины; горизонтальные скважины.
STUDY OF THE EFFECT OF EMULSION DRILLING MUDS COMPOSITION ON THEIR INDICATORS
A.I. Lambin, V.M. Ivanishin, R.U. Sirayev, E.V. Averkina, E.V. Shakirova, A.V. Korotkov
Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia. JSC "RN-Bureniye" Irkutsk branch, 257 Lermontov St., Irkutsk, 664033, Russia.
1Ламбин Анатолий Иванович, кандидат технических наук, доцент кафедры нефтегазового дела, тел.: (3952) 405278, e-mail: [email protected]
Lambin Anatoly, Candidate of Engineering, Associate Professor of the Department of Oil and Gas Business, tel.: (3952) 405278, e-mail: [email protected]
2Иванишин Владимир Мирославович, директор иркутского филиала ООО «РН-Бурение», e-mail: [email protected]
Ivanishin Vladimir, Director of the Irkutsk Branch of JSC "RN-Bureniye", e-mail: [email protected]
3Сираев Рафаил Улфатович, главный инженер иркутского филиала ООО «РН-Бурение», e-mail: [email protected]
Sirayev Rafail, Chief Engineer of the Irkutsk Branch of JSC "RN-Bureniye", e-mail: [email protected]
4Аверкина Елена Владимировна, старший преподаватель кафедры нефтегазового дела, e-mail: [email protected]
Averkina Elena, Senior Lecturer of the Department of Oil and Gas Business, e-mail: [email protected]
5Шакирова Эльвира Венеровна, доцент кафедры нефтегазового дела, e-mail: [email protected] Shakirova Elvira, Associate Professor of the Department of Oil and Gas Business, e-mail: [email protected]
6Коротков Алексей Валерьевич, младший научный сотрудник лаборатории буровых растворов и крепления скважин кафедры нефтегазового дела, e-mail: [email protected]
Korotkov Aleksei, Junior Researcher of the Laboratory of Drilling Muds and Well Casing of the Department of Oil and Gas Business, e-mail: [email protected]
In recent years, the application volumes of oil-base emulsion muds are growing steadily when drilling wells on the fields of Eastern Siberia since they allow maximum preservation of bottomhole formation zone reservoir properties, prevent drags and sticking of tools, provide borehole stability and slime lifting. Besides, they feature a high lubricating property that is crucial for the improvement of technical and economic indicators of slant hole directional drilling. This article provides the results of pilot studies of oil-base emulsion muds composed of the following reagents: oil, diesel fuel, organophilic clay, a rheology modifier, lime, mix of liquid emulsifiers, a moistening agent, salt, water, a weighting compound and a fluid loss reducing agent. By the results of measuring phys-ico-mechanical properties of the muds under investigation a task was set: to compare the influence of each reagent on the studied technological parameter. It is found that the introduction of the reagents of Versatrol, Megamul and Versamod causes the growth of mud plastic viscosity. The authors present a model in the form of the system of algebraic linear equations and concentration diagrams of the studied muds that allows to identify the effect of each factor on emulsion mud behavior and most effectively control their physic-mechanical and filtration properties depending on technological need. The analysis of diagrams has showed the degree of reagent distribution equita-bility in solutions.
Keywords: emulsion muds; rheological properties; well; inclined directed wells; horizontal wells.
В последнее время в связи с реализацией ОАО «АК "Транснефть"» мероприятий по расширению к 2020 году мощности ВСТО-1 до 80 млн тонн в год и ВСТО-2 до 50 млн тонн Юрубчено-То-хомская зона нефтегазонакопления (ЗНГН) Сибирской платформы становится объектом приоритетного внимания крупнейших отечественных компаний в части геологического изучения и промышленного освоения ее недр.
Юрубчено-Тохомская ЗНГН представляет собой уникальный природный резервуар, в глубинах которого во второй половине прошлого века в отложениях рифея были открыты три крупнейших нефтегазовых месторождения: Юрубчено-Тохомское, Куюмбинское, Терское, а также несколько средних. На первых двух с 2012 года ОАО «НК "Роснефть"» и ООО «Славнефть - Красно-ярскнефтегаз» (СП ОАО «НК "Роснефть"» и ОАО «Газпром нефть») ведутся опытно-промышленная эксплуатация и работы по развитию производственной инфраструктуры и подготовке запасов нефти к ее полноценной добыче с 2017 года.
Магистральный нефтепровод «Куюмба - Тайшет», строительство которого начато в декабре 2013 года, позволит подключить Юрубчено-Тохом-ское (ЮТМ) и Куюмбинское нефтегазо-конденсатные месторождения к трубопроводной системе «Восточная Сибирь -Тихий Океан» и увеличить объемы поставляемой экспортной нефти на рынок
стран Азиатско-Тихоокеанского региона, а также позволит им стать основным источником сырья для загрузки мощностей Восточной нефтехимической компании.
Разработка месторождений будет осуществляться наклонно-направленными скважинами с горизонтальными стволами различной длины, что обусловлено сложным геологическим строением и особенностями расположения продуктивных горизонтов.
Так, в частности, на ЮТМ залежи нефти и газа приурочены к верхней, нарушенной процессами дезинтеграций, толще карбонатных пород рифея, характеризующихся сложными трещинными и трещино-кавернозными коллекторами и аномально низкими пластовыми давлениями (АНПД) [1].
При первичном вскрытии таких интервалов велика вероятность возникновения катастрофического поглощения бурового раствора. Это, в свою очередь, ставит перед технологическими службами вопрос разработки и внедрения в практику буровых работ промывочных жидкостей пониженной плотности из легкодоступных компонентов, не загрязняющих продуктивный горизонт [2].
В последние годы на Восточно-Сибирских месторождениях наметилась устойчивая тенденция увеличения объемов применения буровых эмульсионных растворов на углеводородной основе (ЭРОУ) [7]. Их использование позволяет одновременно решать несколько актуальных задач строительства наклонно-
направленных скважин с горизонтальным окончанием ствола:
- максимально сохранять коллек-торские свойства призабойной зоны пласта при АНПД;
- предотвращать затяжки и прихваты бурильного инструмента в трещиноватых и глиносодержащих отложениях;
- уменьшать кавернообразование в мощных отложениях каменной соли, вызванное их размывом и растворением [3];
- обеспечивать устойчивость ствола скважины в глинистых и карбо-натно-глинистых породах вследствие высокой ингибирующей способности;
- существенно снижать потери нагрузки на долото в скважинах любого профиля.
Авторами статьи в лабораторных условиях был проведен количественный анализ влияния реагентов, используемых для приготовления многокомпонентных эмульсионных растворов на их технологические показатели с целью управления последними при бурении наклонно-направленных скважин на ЮТМ.
Исследуемые буровые растворы представляли собой инвертную эмульсию «вода в нефти», где в качестве дисперсионной среды выступала углеводородная основа - нефть и дизтопливо, а дисперсной фазой являлся водный раствор натриевой соли (NaCl) плотностью 1,17 г/см3.
Для их формирования в исходную систему, представленную выше, вводился Versamul (смесь жидких эмульгаторов), который вступал в реакцию с известью Lime (нейтрализатор CO2, CO3) c образованием кальциевого мыла. В качестве структурообразователя использовались органофильная глина VG-plus и смачивающий агент Versawet. В целях регулирования реологических свойств раствора применялся Versamod, а для эффективного управления фильтрации -Versatrol.
Исследуемые параметры бурового раствора и используемая при этом
лабораторная база приведены в табл. 1.
Все показатели реологических свойств ЭРОУ определялись при температуре 23±2°С.
Состав эмульсионных растворов (рассчитанный по объему) и показатели физико-механических свойств ЭРОУ представлены в табл. 2, 3.
Изучение физико-механических свойств (ФМС) эмульсионных растворов осуществлялось случайным образом путем ввода ингредиентов, концентрации которых подбирались с учетом рекомендаций, изложенных в работе [5].
По результатам измерений ФМС исследуемой системы ставилась задача сравнения модельных представлений о силе влияния каждого ингредиента на ее изучаемый технологический параметр. Ввиду сложности выявления на данном этапе взаимовлияния компонентов на отдельный показатель раствора авторы вынуждены ограничиться моделью единичного воздействия каждого отдельного ингредиента.
С этой целью была предложена математическая модель в виде системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ):
Ах = b,
в которых в качестве х приняты концентрации ингредиентов, а коэффициенты при х указывали на степень их влияния на конкретный показатель раствора, коим в данном случае является b, т.е. свободные члены.
Значения х представлены на рис. 1. Коэффициенты при них определялись решением системы уравнений матричным путем с использованием математического пакета Mathcad-15 командой lsolve (A, B) [4], которые и приведены на рис. 2-5. Отрицательная величина последних говорит об обратном влиянии ингредиентов, а численное значение показывает их силу влияния на данный показатель [6].
Анализ результатов исследований показывает следующее:
1. Реологические свойства ЭРОУ определяются каждым компонентом
Таблица 1
Перечень лабораторного оборудования
Номер прибора Наименование прибора Измеряемый параметр Страна-изготовитель
1 OFITE Emultion Stability Meter Электростабильность США
2 FANN Filter press Фильтрационные свойства США
3 Воронка Марша Условная вязкость США
4 OFITE Viscometer model 900 Пластическая вязкость, динамическое напряжение сдвига, статическое напряжение сдвига США
Таблица 2
Состав эмульсионных растворов на углеводородной основе
Номер реагента Реагент ЭРОУ1 1 ЭРОУ2 1 ЭРОУ3 1 ЭРОУ4 | ЭРОУ5 | ЭРОУ6 | ЭРОУ7 | ЭРОУ8 | ЭРОУ9 | ЭРОУ10 | ЭРОУ11
Соотношение нефть/дизельное топливо
60/40 60/40 60/40 40/60 60/40 80/20 60/40 60/40 60/40 60/40 60/40
0 Нефть 0,3605 0,372 0,3666 0,3232 0,4852 0,4808 0,496 0,360 0,408 0,378 0,384
1 Д/Т 0,2404 0,248 0,2444 0,4848 0,3228 0,1202 0,124 0,240 0,272 0,252 0,256
2 VG-plus 0,0057 0,0096 0,010 0,005 0,0057 0,0059 0,0092 0,0063 0,0076 0,0061 0,0053
3 Versamod 0,003 0,003 0,006 0,002 0,001 0,0025 0,003 0,001 0,001 0,0015 0,007
4 Lime 0,0149 0,0106 0,010 0,0038 0,0042 0,0145 0,0106 0,0141 0,0153 0,0085 0,0094
5 Megamul 0,014 0,015 0,016 0,017 0,0155 0,0145 0,018 0,014 0,016 0,013 0,012
6 Versawet 0,001 0,001 0,003 0,002 0,0012 0,0014 0,001 0,001 0,0015 0,002 0,0017
7 NaCl 0,041 0,0184 0,011 0,0023 0,0025 0,0423 0,018 0,018 0,013 0,0092 0,0115
8 Вода 0,141 0,175 0,180 0,140 0,142 0,145 0,170 0,190 0,155 0,174 0,221
9 МК-160 0,071 0,0354 0,039 0,022 0,022 0,0701 0,035 0,0346 0,0184 0,0239 0,0202
10 Versatrol 0,005 0,0045 0,004 0,006 0,0055 0,0065 0,004 0,010 0,012 0,009 0,008
Таблица 3
Физико-механические свойства ЭРОУ
Номер Показа- ЭРОУ1 ЭРОУ2 ЭРОУ3 ЭРОУ4 ЭРОУ5 ЭРОУ6 ЭРОУ7 ЭРОУ8 ЭРОУ9 ЭРОУ10 ЭРОУ11
показа- Соотношение нефть/дизельное топливо
теля тель 60/40 60/40 60/40 40/60 60/40 80/20 60/40 60/40 60/40 60/40 60/40
1 Условная вязкость 28 37,8 40,8 28 52 241,5 560 53,9 48,6 56 43
Пласти-
2 ческая вязкость П, сПз 29,3 23,6 25,9 13,5 20,5 51,4 55,4 34,4 29,9 23 20
3 Динамическое напряжение сдвига т, Па 2,1 5,8 5,3 0,9 4,3 26,6 12,9 4,4 4,2 4,0 3,5
4 Статическое напряжение сдвига СНС10/10, Па 1,5/1,7 2,9/3,2 2,8/3,0 0,6/0,8 2,1/2,8 17,4/25,4 12,2/30,5 3,7/7,6 3,9/9,3 4,3/9,8 3,4/8,2
5 Фильтрация Ф30, см3 3,5 4,0 3,5 4,0 3,3 3,3 3,2 3,0 4,0 3,2 3
6 Плотность р, г/см3 1,08 1,0 0,94 0,91 0,94 1,10 1,0 1,03 0,97 1,00 0,92
7 Электростабильность, В 900 450 500 600 720 750 740 820 850 420 500
^03605024040.0057 0.003 3.3149 0.014 0.001 0.041 0141 0.071 0.005' 0372 0.241 0.0096 3.333 0.3105 0015 0.001 001540 175 ОШ54 0.004! 3.35660^444 3.313 3.335 3.313 3.315 3.333 3.3113.150 0.039 0.004 032320.4545 0 005 0.002 0.3338 3.31" 0.002 0.00233.140 0.022 0.006 3.45520.322В0.0057 0.331 3.3342'О.Э 1550.35120.00253.142 0.022 0.005: 0.4505 0.12Ш0.0059 О.00250.3145 '3.3145 0.3 314 0.0423 3.145 0.07010.006? 3.495 3.124 0.0092 0.333 3.3135 3.315 0001 001540 170ОШ54 0.004 3.353 0.240 0.0063 0.001 0.0141 0.014 3.331 3.315 3.193 0.0346 0.010 3.405 0272 0.3376 0.001 0.0153 0.015 0.0015 0.013 0.1550.0154 0.012 0.375 0252 0.3351 3.33150.0055 3.313 0.002 0.00923. Г40.0239 0.009 V0.354 0256 3.3053 3.307 0.3394 0012 3.33170.311502210.0202 0.00$,
Рис. 1. Матрица объемного содержания компонентов в эмульсионных растворах
системы, а также характером их взаимодействия между собой.
2. Полученные растворы характеризуются низкими значениями динамического напряжения сдвига и высокими значениями пластической вязкости, что соответствует требованиям строительства наклонно-направленных скважин. При этом вязкость уменьшается с увеличением содержания воды и углеводородной фазы (см. рис. 2) и увеличивается при вводе Versatrol, Megamul и Versamod (порядок перечисления соответствует их силе влияния).
Значение эффектов динамического напряжения сдвига выше значения пластической вязкости. Это объясняется тем, что пластическая вязкость определяется количеством частиц дисперсной фазы, а динамическое напряжение сдвига дополнительно связано со
скоростью сдвига (см. рис. 3).
Анализ влияния реагентов показывает, что вода и увеличивают структурную составляющую набора прочности раствора, что отражается на статическом напряжении сдвига, измеренного за 10 мин (см. рис. 4).
В нашем случае добавление в раствор Versatrol приводит к снижению проницаемости корки на стенках скважинах, вследствие чего уменьшается степень загрязнения продуктивного пласта (см. рис. 5).
На рис. 6 представлены концентрационные диаграммы реагентов, входящих в состав эмульсионных растворов, которые были построены путем деления полученного эффекта (см. рис. 2-5) на его среднее содержание (напомним, что содержание взято по объему ингредиента в единице объема раствора).
Рис. 2. Решение СЛАУ для пластической вязкости
В :=■
iso]ví(a.b) ж
ГглЛ
5.8
0.9 4.3 >6.6 \гл
АЛ 4.2 4.0 \3.iJ
Рис. 3. Решение СЛАУ для динамического напряжения сдвига
0
0 -277.996
1 -315.3+4
2 1.75В" 10*
3 2.227ÍQ*
4 -1.9В110*
5 7.39410Э
6 -5J0951CH
7 -3.124-ltf»
1 -937-957
9 4 074-103
10 3.46в1СИ
Рис. 4. Решение СЛАУ для статического напряжения сдвига за 10 с и 10 мин
Рис. 5. Решение СЛАУ для фильтрации
С их помощью возможно определить степень равномерности распределения реагентов в каждом растворе (то есть количественную меру присутствия в них). Нормированный таким образом эффект реагента показан справа от его диаграммы содержания. На основе их сравнения можно сказать, что содержание
отдельных ингредиентов в десятки или даже сотни раз меньше (например, МК-160, Versawet, VG-plus и др.), чем содержание нефти, дизельного топлива и воды. Так, например, реагент Lime в три раза эффективнее, чем реагент VG-plus, и это можно увидеть по такому показателю, как пластическая вязкость.
Рис. 6. Концентрационные диаграммы реагентов, входящих в растворы:
П - пластическая вязкость, сПз; т - динамическое напряжение сдвига, Па; Ф - фильтрация, мл/см3; СНСю/ю - статическое напряжение сдвига (за 10 с и 10 мин), Па
Казалось бы, введение в ЭРОУ солей (NaCl в нашем случае) увеличивает ионную силу раствора, уменьшает гидрат-ную оболочку мицеллы и увеличивает объем дисперсионной среды. При этом показатель фильтрации теоретически должен бы увеличиваться. В нашем же случае эффект данного параметра раствора отрицательный. Это объясняется в первую очередь образованием уплотненной глинистой корки при его замере. Отсюда следует вывод о том, что кроме индивидуальных вкладов изучаемых реагентов существует вклад от взаимодействия их на какой-либо показатель, причем он может быть как положительным, так и отрицательным.
Представленные диаграммы убедительно свидетельствуют о зависимости основных свойств раствора от соотношения углеводородной среды и воды. Для достижения наибольших значений таких параметров, как пластическая вязкость и динамическое напряжение сдвига, необходимо максимальное отношение количества дисперсионной среды к дисперсной фазе (ЭРОУ № 6).
Повышение содержания нефти относительно содержания дизельного топлива приводит к резкому увеличению условной и пластической вязкости (ЭРОУ № 7), что улучшает условия выноса разрушенной породы при ламинарном характере течения бурового раствора.
Реагент Versawet, как правило, применяется в качестве разжижителя буровых растворов при отсутствии щелочи или ее низком содержании в технологической жидкости. В нашем случае при повышенном содержании извести (Lime) Versawet выступает в роли эмульгатора, о чем свидетельствует увеличенное значение пластической вязкости ЭРОУ № 8, 9). При большем водосодержании (ЭРОУ № 8) минимальный объем Versa-mod поддерживает достаточно высокую пластическую вязкость.
Реагент Versatrol, предназначенный для контроля фильтрации и увеличения закупоривающей способности при
незначительном влиянии на вязкость раствора, имеет максимальное содержание в ЭРОУ № 9, что означает резкое повышение стабильности промывочной жидкости.
В заключение можно отметить следующее:
- для строительства наклонно-направленных скважин с горизонтальным окончанием в сложных геолого-технических условиях ЮТМ разработаны составы эмульсионного бурового раствора, повышающие качество вскрытия продуктивного пласта;
- на основе алгебраической модели определен вклад каждого ингредиента в технологические показатели эмульсионного бурового раствора, что позволяет максимально эффективно регулировать его физико-механические и фильтрационные свойства в зависимости от технологической необходимости;
- посредством диаграмм установлена степень равномерности распределения реагентов в буровых эмульсионных растворах и показано их взаимное влияние на изучаемый параметр, которое может быть как положительным, так и отрицательным.
Библиографический список
1. Буглов Н.А., Карпиков А.В., Гриб П.С. Выбор оптимального режима эксплуатации добывающей скважины с использованием тренажерного комплекса // Вестник ИрГТУ. 2015. № 1 (96). С. 49-53.
2. Геологическая обусловленность проблемных аспектов бурения нефтедобывающих скважин на Юрубчено-То-хомском НГКМ, Эвенкия / А.Г. Вахро-меев, Р.У. Сираев, В.М. Иванишин [и др.] // Инновационные решения в строительстве скважин: тез. Всерос. науч.-техн. конф. Уфа: Изд-во УГНТУ, 2011. С. 41-45.
3. Комплекс технологических решений и оценка их эффективности при эксплуатационном бурении карбонатных отложений Юрубчено-Тохомского
месторождения / Р.У. Сираев, В.М. Ива-нишин, Р.А. Хайров [и др.] // Инновационные решения в строительстве скважин: тез. Всерос. науч.-техн. конф. Уфа: Изд-во УГНТУ, 2011. С. 38-41.
4. Ламбин А.И. Математические модели в бурении в среде Mathcad: лабораторный практикум/ Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2013. 113 с.
5. Разработка и исследование рецептур эмульсионных растворов на основе минеральных масел / В.Л. Заворот-ный, В.С. Шишков [и др.] // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. 2010. № 1. С. 34-38.
6. Салихов И.Ф., Конесев Г.В. Математическое моделирование состава и свойств промывочных жидкостей на водной основе с применением бурового комплексного реагента БКР-5М // Территория нефтегаз. 2014. № 6. С. 20-26.
7. Эксплуатационное бурение ри-фейских карбонатов на Юрубчено-То-хомском НГКМ - практика и результаты борьбы с геологическими осложнениями / В.Ю. Никитенко, Р.У. Сираев, В.М. Иванишин, А.Г. Вахромеев // Инновационные решения в строительстве скважин: тез. Всерос. науч.-техн. конф. Уфа: Изд-во УГНТУ, 2011. С. 46-50.
Статья поступила 15.09.2015 г.
