CC BY
32
УДК 622.244.442
ПОЛИМЕРГЕЛЕВЫЕ ПРОМЫВОЧНЫЕ ЖИДКОСТИ ДЛЯ ОСЛОЖНЕННЫХ УСЛОВИЙ БУРЕНИЯ
1 2 А.А.Фигурак , В.Г.Заливин
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Рассмотрены результаты исследований полимерных гелей в качестве промывочных жидкостей. В качестве полимеров рекомендуется полиакриламид или КМЦ-600 (700), окислителя - бихромат натрия или калия, восстановителя - сульфат железа или метабисульфит натрия, ингибирующих добавок - хлорид (фосфат) калия или ЖПАК. Представлены ингибирующие и реологические параметры полимергелевых промывочных жидкостей (ПГПЖ). Табл. 2. Библиогр. 5 назв.
Ключевые слова: полимерные гели; устойчивость ствола скважины; ингибирующие свойства и реологические параметры промывочных жидкостей.
POLYMARL WASHOVER LIQUIDS FOR THE COMPLICATED CONDITIONS OF DRILLING
A.A.Figurak, V.G.Zalivin
National research Irkutsk state technical university, 664074, Irkutsk, street Lermotova, 83.
Results of researches of polymeric gels in quality washover liquids are considered. As polymers it is recommended polyacrylamide or ТОО-600 (700), an oxidizer - bichromate of sodium or potassium, a reducer - sulfate of iron or sodium metabisulphite, retardant additives - chloride (phosphate) of potassium or ЖПАК. Are presented retardan and rheological parameters ПГПЖ.
2 tables. 5 sources.
Key words: polymeric gels, stability of a trunk of a chink, retardan properties and rheological rameters washover liquids.
Для бурения соленосных и глини-сто-аргиллитовых пород применяются безглинистые промывочные жидкости с конденсированной твердой фазой на основе солей- и гидрогелей металлов, а также асбогелей, обладающих сравнительно хорошими ингибрирующими свойствами [2].
Однако эти системы имеют ограниченную область применения, так как обладают рядом существенных недостатков, обусловленных высокой минерализацией и коррозийной активностью, возможностью рекристаллизации конденсированной фазы при перепадах температуры, экологическими требованиями и большим расходом реагентов.
Более широкими функциональными возможностями при меньшем расходе реагентов характеризуются полимергеле-вые промывочные жидкости (ПГПЖ).
Для их получения могут быть использованы различные высокомолекулярные полимеры, способные образовывать хелатные комплексы с катионами поливалентных металлов в щелочной среде [3,5].
В качестве окислительно-восстановительной системы применяются комплексообразователи - соли поливалентных металлов в сочетании с восстановителями, т. е. сульфатами железа, натрия или бисульфатом натрия.
:Фигурак Анатолий Афанасьевич - старший преподаватель, тел.: (3952) 405278, 89501114064. Figurak Anatoly - Senior Lecturer, tel.: (3952) 405278, 89501114064.
2Заливин Владимир Григорьевич - кандидат технических наук, доцент, тел.: (3952) 405278, 89041402749. Zalivin Vladimir - Candidate of technical sciences, Associate Professor, tel.: (3952) 405278, 8904140274.
Технологические параметры: подвижность при прокачивании, скорость гелеобразования и прочность структуры ПГПЖ - регулируются соотношением их основных компонентов: полимер, ком-плексообразователь и восстановитель. Они также зависят от температуры и минерализации дисперсионной среды и состава пород. Механизм стабилизации ствола скважин при бурении с ПГПЖ основан на блокировании активных центров набухающих глинистых минералов катионами металлов, мигрирующих в во-донаполненной трехмерной структуре полимерного геля, т. е. поверхностном модифицировании и капсулировании макромолекулярной пленкой. Капсули-рование способствует уменьшению набухания и межплоскостной гидратации полимерного геля при контакте с пластовыми водами, что снижает проницаемость пород и вероятность поглощения бурового раствора.
Разработаны композиции ПГПЖ с различными реологическими свойствами, в том числе от близких к полимерным растворам до вязкоупругих смесей (ВУС). Рациональной областью применения ПГПЖ являются интервалы наиболее сложных геологических условий: набухающие и вспучивающиеся породы с глинистыми минералами и глинами трения в тектонических швах монтморилло-нитового состава; размокающие и самодиспергирующиеся глинизированные породы каолин-гидрослюдистого состава; трещиноватые и слабосцеменированные неустойчивые или проницаемые зоны, представленные измененными породами различного минералогического состава, склонными к спорадическим осыпям или спонтанному шламообразоанию.
Полимергелевые промывочные жидкости на основе металлополимерных комплексов (МПК) обеспечивают повышение псевдопластичных свойств раствора за счет образования сшитых объемных макроструктур. Необходимыми условиями образования МПК являются стерическая доступность полярных групп в макромолекулах полимеров и щёлочность раствора. Образование поперечных
связей и укрупнение макромолекул полимера за счет комплексообразования обеспечивают повышение прочности структуры и необходимые технологические свойства образующегося полимерного геля.
Эти системы, в отличие от гидро -и солегелей, имеют ряд преимуществ: позволяют при меньшем расходе компонентов в широком диапазоне регулировать реологические и технологические свойства растворов; могут применяться как непосредственно в виде очистного агента, так и в качестве добавки к растворам с малым содержанием твердой фазы, а также в качестве тампонирующего раствора или вязкоупругого разделителя (ВУР) и буферных жидкостей;
- обладают способностью флокулиро-вать тонкодисперсные частицы выбуренной породы и предотвращать диспергирование крупных частиц;
- допускают введение утяжелителей, минеральных структурообразавателей и инертных закупоривающих материалов, а также дополнительных инги-бирующих добавок.
В эти композиции входит водорастворимый высокомолекулярный полимер, содержащий гидроксильные, амид-ные, карбоксильные и другие полярные группы, которые способны образовывать хелатные комплексы с катионами поливалентных металлов.
Для получения полимерных гелей можно использовать полиакриламид и сополимеры на основе акриламида, водорастворимые эфиры целлюлозы (КМЦ и др.) и биополимеры. Комплексообразова-телями могут служить катионы металлов, координационное число которых в два раза больше заряда. Известно, что координационная способность катионов возрастает с увеличением ионного потенциала (отношения заряда иона к его радиусу). По ионному потенциалу комплексо-образователи можно расположить в убывающий ряд: Сг>ЛМе>Си>Н1>Мп. Наиболее активными комплексообразо-вателями являются соли хрома.
При разработке композиций ПГПЖ проведены выбор и обоснование методик оценки ингибирующих, диспергирующих, консолидирующих, реологических свойств и термосолестойкости.
В лабораторных условиях исследованы различные композиции ПГПЖ с использованием известных водорастворимых полимеров и некоторых комплексо-образователей.
Важной реологической характеристикой геля является показатель нелинейности п, характеризующий степень отличия от ньютоновской жидкости. Для качественной очистки ствола скважины лучшим является раствор с низким значением п (0,15-0,4), а в условиях нарушений устойчивости ствола в породах глинистого состава п должен быть 0,4-0,7. В результате проведенных нами исследований установлено, что безглинистые полимерные гели должны иметь следующие основные показатели:
- асимптотическая вязкость предельно разрушенной структуры (п®) - 3-10 мПас;
- эффективная вязкость, характеризующая течение в затрубном пространстве (п100), - 50-150 мПас;
- показатель мгновенной фильтрации Ф1 (через 1 мин) не менее 25% от Ф30 (через 30 мин);
- коэффициент К2 (отношение объема жидкости, связанной образцом породы, к массе сухой пробы), определяемый по методике К. Ф. Жигача и А. Н. Ярова, при бурении набухающих глин и глинистых пород - не более 0,2-0,3 см3/г;
- скорость гелеобразования, контролируемая условной вязкостью, в зависимости от скорости сдвига от 20-30с до 60-180 с через 12 ч при бурении в интервалах, имеющих поглощающие каналы;
- полная флокуляция тонкодисперсных частиц твердой фазы, а также уменьшение гидратации и диспергирования крупных глинистых частиц выбуренной породы.
Рекомендуемые соотношения основных компонентов ПГПЖ для различных условий и назначение композиции приведены в табл. 1.
Таблица 1
Состав полимергелевых промывочных жидкостей
Компоненты Оптимальная концентрация, масс. %
Для нормализованных условий Ингибиру-ющего типа При бурении в проницаемых породах Вязко-упругие смеси (ВУС)
Полимер Полиакриламид или КМЦ-600(700) 0,1-0,25 0,25 0,25 0,50 0,1-0,3 0,25-0,5 0,5 1,0
Окислитель Бихромат натрия или калия 0,05 0,1 0,1-0,3 0,1-0,2
Восстановитель Сульфат железа (железный купорос) или метабисуль-фит натрия, пиросульфит натрия 0,05 0,1 0,07-0,25 0,1-0,2
Ингибирующая добавка Хлорид (фосфат) калия или железосодержащая полиакриловая кислота (ЖПАК) - 1,05-5,0 0,125-0,5 - -
Как установлено, совместно с ИрИОХ СО АН [4], введение в состав ПГПЖ железосодержащей полиакриловой кислоты (ЖПАК) в концентрации 0,125-0,5 мас. % способствует значительному снижению скорости набухания глинистых образцов породы в 1,5-2,0 раза, а скорость осаждения (флокуляция) твердой фазы выбуренной породы увеличивается в 1,2-1,3 раза.
Рациональное практическое применение оптимальных композиций ПГПЖ требует проведения предварительных лабораторных исследований их ингибиру-ющих, консолидирующих и реологических свойств. Нами рекомендуется для определения параметров набухания применять прибор Жигача-Ярова [1], который с достаточно высокой точностью определяет начальный и конечный объемы дисперсоида, т. е. максимальное набухание при достижении равновесия в системе образец-жидкость. При этом инги-бирующие свойства ПГПЖ оцениваются по коэффициентам набухания К1 и К2, а также скорости набухания W :
К1 = (Уж+Ус)/Уо;
К2 = Уж/ш ; W = К2/1 ,
где К1 - степень набухания, характеризующая степень увеличения объема исследуемой пробы при набухании; Уж -объем связанной жидкости, см3; Уо -объем сухой пробы керна (глинистой породы и др.); К2 - показатель набухания, измеряемый объемом жидкости, связанной при набухании образцом, см3/г; ш -масса сухой пробы, г; W - скорость набухания, пропорциональная интенсивности набухания глинистых пород (минералов), см3/г.ч; 1 - время нахождения образца в жидкости, ч.
Количественная оценка консолидирующей способности ПГПЖ производилась по методике ВНИИКРнефть. Согласно этой методике на прессе определялась нагрузка разрушения образцов глинистой породы (керна), пропитанных исследуемым раствором, а затем рассчитывался коэффициент консолидирующей способности Кк (кПа) по формуле
Кк = Р/Б,
где Р - нагрузка разрушения, Н; Б - площадь образца, м2.
Реологические свойства ПГПЖ определялись с помощью ротационного вискозимитра Яео1е81;-2 по методике ВНИИБТ. При этом рассчитывались следующие показатели: асимптотическая вязкость п «>, мПас; эффективная вязкость при скорости сдвига 100с-1 п100 , мПас; показатель нелинейности п; коэффициент сдвигового разжижения, т. е. зависимость вязкости от скорости сдвига, КСР, мПа с ; показатель консистенции, характеризирующий густоту раствора, К, Пас.
Исследованные композиции
ПГПЖ в условиях солевой агрессии по №С1 до 10 масс.% и по СаС12 до 5масс.% и при повышении температуры от 0 до 60оС сохраняют основные реологические свойства гелей. В интервале температур 60-80оС происходит разрушение их структуры, что накладывает ограничения по забойным температурам применения ПГПЖ.
Выборочные результаты проведенных исследований некоторых композиций ПГПЖ на основе ПАА и КМЦ-600 приведены в табл. 2
Из приведенных данных следует, что показатели ингибирующих, консолидирующих и реологических свойств рекомендуемых ПГПЖ соответствуют требованиям к промывочным жидкостям при вскрытии пластов с низким пластовым давлением и наличием самодиспергирующихся (набухающих, осыпающихся) пород, а также проницаемых зон, в которых отмечается значительное кавернооб-разование.
По результатам санитарно-гигиенической оценки ПГПЖ относится к малоопасным веществам (1У класс опасности) и может быть допущена к использованию в качестве бурового раствора при соблюдении соответствующих мер правил безопасности, предусмотренных в нефтяной и газовой промышленности -ПБ 08-624-03 (п.2,7,5).
Таблица 2
Показатели ингибирующих свойств и реологические параметры полимергелевых __промывочных жидкостей_
Состав, масс. % Ингибирующие свойства Реологические па раметры
К1 К2, см3/г см /г.час Кк, кПа П«, мПас мПас п КСР, мПас2 К, Пас
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
ПАА 0,25 К2Сг207 0.1 №28265 0.1 Вода - остальное 0.56 0.22 0.09 7.4 3.5 7.2 0.78 1.5 0.02
ПАА 0,25 КМЦ 0,25 К2СГ2О 0.1 №28265 0.1 Вода - остальное 0.34 0.13 0.05 6.7 18.2 22.0 0.7 5.9 0.16
ПАА 0,25 К2СГ2О 0.1 Бе8о4 0.1 Вода - остальное 0.9 0.35 0.14 6.6 3.5 7.9 0.75 1.9 0.02
ПАА 0,25 К2СГ2О7 0.1 Ка280з 0.1 Вода - остальное 0.9 0.348 0.14 6.0 - - - - -
КМЦ 0,25 К2СГ2О7 0.05 №28205 0.05 Вода - остальное 0.38 0.15 0.06 4.4 12.6 41.69 0.67 13.6 0.21
КМЦ 0,5 К2СГ2О7 0.1 №28205 0.1 Вода - остальное 0.55 0.21 0.08 4.7 18.2 89.1 0.59 36.7 0.59
КМЦ 1,0 К2СГ2О7 0.1 Бе8о4 0.1 Вода - остальное 0,14 0,05 0,02 4,5 14,4 38,02 0,7 9,9 0,13
КМЦ 1,0 К2СГ2О7 0.2 №И8оз 0.1 Вода - остальное 0.3 0.11 0.04 5.1 17.4 63.1 0.6 22.8 0.3
КМЦ 0.5 К2СГ2О7 0.1 Бе8о4 0.1 Вода - остальное 0.9 0.35 0.14 - 18.0 89 0.58 36.7 0.6
Библиографический список
1. Городнов В. Д. Физико-химические методы предупреждения осложнений в бурении. М.: Недра,1984. С. 229.
2. Дровников П.Г., Коновалов Е.А. Гидрогелевые и полимерные растворы для бурения в осложненных условиях // Совершенствование методов предупреждения и ликвидации поглощения при
строительстве глубоких скважин в Восточной Сибири. Новосибирск: СНИИГ-ГиМС, 1984. С. 39-43.
3. Применение полимергелевых промывочных жидкостей / Сост. А. А. Фигурак, А. В. Ржепка, Е. Н.Медведева и В. Д. Жерлов // Техн. и технол. геологоразвед. работ; орган. пр-ва отеч. произв. опыт. ЭИ/ВИЭМС, 1988. Вып. 12. С. 5-11.
4. Полимерный состав для промывки скважин. А.с. 1073273, СССР, МКИ
СО9К 7/02 /Ржепка А.В., Грица А. И., Фигурак А.А. и др. / Ирк. отд. ВИТР и ИрИОХ СО АН; № 3456318/23-03; Заявл. 23,06,82; опубл. 15,02,84, Бюлл. №6. 5. Фигурак А.А., Заливин В.Г., Ржепка А.В. Совершенствование композиций полимерных промывочных жидкостей // Тезисы докл. VI международной научной конференции. Вопросы геологии и металлогении Монголии и сопредельных территорий. Иркутск: ИПИ, 1989. С. 104-105.
Рецензент: кандидат технических наук, доцент Национального исследовательского Иркутского государственного технического университета А.В.Карпиков
