CC BY
171
УДК 622.243.1
Р. А. Исмаков (д.т.н., проф., зав. каф.)1, В. П. Матюшин (инж.)1, О. Г. Мамаева (к.т.н., инж.)2, В. Г. Конесев (гл. спец.)3, Р. З. Биглова (д.х.н., проф.)4
Разработка реагентов комплексного действия для улучшения противоизносных и антифрикционных свойств безглинистых растворов
Уфимский государственный нефтяной технический университет, 1 кафедра бурения нефтяных и газовых скважин, 2отдел буровых растворов 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1; тел. (347) 2431419; 2431579; e-mail: [email protected], [email protected] 3ООО «Газпромнефть НТЦ», отдел технологий строительства скважин, г. Санкт-Петербург, ул. Галерная, д. 5, корп. А; тел. (+7812) 3136924, факс (+7812) 3136927,
e-mail: Konesev. [email protected] 4Башкирский государственный университет, кафедра биоорганической химии 450074, г. Уфа, ул. Заки Валиди, д. 32; тел. (+7 347) 2726370, факс. (+7 347) 2736778,
e-mail: [email protected]
R. A. Ismakov1, V. N. Matyushin1, O. G. Mamaeva2, V. G. Konesev3, R. Z. Biglova4
Development of multipurpose agents for improvement antiwear and antifrictional properties of clayless muds
1,2Ufa State Technological Petroleum University I Kosmonavtov Str, 450064, Ufa, Russia; ph. (+7347) 2431419, 2431579, e-mail: [email protected], [email protected] 3 «Gazpromneft NTC» Ltd 5A, Galernaya Str., St.-Petersburg, Russia; ph. (+7 8I2) 3I36924, fax (+7 8I2) 3I36927, e-mail: konesev. [email protected] 4Bashkir State University
32, Zaki Validi Str., Ufa, Russia; ph. (+7 347) 2726370, fax (+7 347) 2736778, e-mail: [email protected]
При бурении наклонно-направленных скважин с горизонтальным стволом в продуктивном пласте возникают различные осложнения, для предупреждения которых используются многокомпонентные промывочные жидкости на водной основе. С целью снижения затрат энергии на трение бурильных колонн в скважинах авторами разработаны реагенты комплексного действия на основе моноэтаноламиновой соли кубовых остатков синтетических жирных кислот различных модификаций. Высокие триботехни-ческие свойства показал реагент комплексного действия, в состав которого входит специально синтезированная с участием авторов сернистая присадка, химически модифицирующая поверхности трения.
Ключевые слова: бурение; присадка; промывка; раствор; реагент; смазка; трение.
There are a lot of difficulties while drilling directional wells with horizontal completion in productive formation. The multi composite water-based drilling muds are used to prevent this. The authors have developed agents with salts of monoethanolamine and still(age) bottoms of different synthetic fatty acids in order to reduce pipe friction. The multipurpose agent which has showed the best tribotechnical properties was synthesized by the group of authors. It contains sulfurous additive which creates chemical modification on frictional surface.
Key words: drilling; additive; washing; drilling mud; agent; lubricant; friction.
Дата поступления 29.03.11
В современной буровой технологии существенно растут объемы строительства наклонно-направленных скважин с боковыми и горизонтальными стволами, пологих скважин со сверхдальними отходами. В связи с неблагоприятным распределением поля скоростей потоков промывочной жидкости в кольцевом пространстве бурящейся наклонной скважины возникают различного рода осложнения из-за проблем с очисткой ствола от шлама. Турбули-зация восходящих потоков жидкости путем применения псевдопластичных систем, ввод в них различных смазочных, депрессорных и комплексных добавок при строгом ограничении содержания твердой дисперсной фазы позволяет успешно бурить наклонно-направленные скважины с отходами от нескольких сотен метров до нескольких километров. Высокое качество вскрытия такими скважинами продуктивных пластов и в целом успешное их строительство достигается при использовании для промывки инвертно-эмульсионных растворов, объемы применения которых пока ограничены по ряду причин, прежде всего из-за недостаточной их экологической безопасности.
Промывочные жидкости на водной основе без твердой дисперсной фазы требуют повышенного внимания при управлении фильтрационными, коркообразующими, триботехни-ческими, противоприхватными и реологическими свойствами. Существует довольно широкий ассортимент составов таких жидкостей, содержащих 8—12 практически обязательных компонентов, что, безусловно, затрудняет стабилизацию и управление их свойствами. Поэтому разработка реагентов комплексного действия, позволяющих заменить одновременно несколько реагентов, является актуальной задачей для буровой технологии.
Выполненные нами исследования показали, что безглинистые промывочные жидкости на водной основе при надлежащем уровне их основных технологических параметров и достаточно тонких фильтрационных корках (1^1.5 мм), имеют неудовлетворительные антифрикционные свойства. Это может привести, особенно при вращении бурильной колонны для передачи энергии породоразрушающе-му инструменту, к росту объемной температуры промывочной жидкости, снижению эффективности работы химических реагентов, увеличению риска возникновения таких осложнений, как поглощения и прихваты колонн в скважинах. В конечном счете снижается продуктивность коллекторов, растут затраты времени на их освоение.
На кафедре бурения УГНТУ уже длительное время выполняются исследования с целью разработки средств улучшения качества промывочных жидкостей, в т.ч. и показателей их триботехнических свойств. Разработанная комплексная методика исследований предусматривает поэтапное изучение, прежде всего, совместимости опытных реагентов с базовыми промывочными жидкостями, влияния их на общетехнологические параметры, после чего целевые свойства лучших из них подвергаются тестированию с применением современных экспресс-методов. На завершающем этапе исследования перспективный реагент проходит тщательную проверку с применением методов физического моделирования и промысловой апробации.
В данной статье приводятся некоторые результаты изучения влияния различных смазочных добавок на антифрикционные и проти-воизносные свойства безглинистого биополимерного полисахаридного раствора. Причем антифрикционные показатели оценивались в паре трения «металл — корка» с помощью прибора КТК-2 (противоприхватные свойства) и в паре трения «Сталь 45 — Сталь 40Х» на машине трения МТ-2М применительно к взаимодействию замков бурильных труб (Сталь 40Х) с обсадной колонной (Сталь 45).
В табл. 1 приведены показатели исходного раствора различной степени минерализации и раствора средней минерализации с различными смазочными добавками.
Из табл. 1 видно, что обработка исходного раствора галитом приводит к повышению его плотности, другие параметры существенно не изменяются. Видно также, что коэффициент трения корки имеет высокие значения, и при увеличении времени контакта корки с металлом корка «прихватывает» стальной образец. Смазочные добавки лишь незначительно снизили коэффициент трения корки. Лучшей из них оказалась смазочная добавка СМАД-1М 1, которая использовалась нами и в дальнейших опытах.
СМАД-1М является реагентом комплексного действия, предназначенным для улучшения смазочных свойств вязкопластичных промывочных жидкостей (глинистых растворов) и стабилизации показателя фильтрации инверт-ных эмульсий. Реагент нерастворим в воде, а в глинистых растворах для эффективного эмульгирования требует интенсивного перемешивания.
СМАД-1М представляет собой этанолами-новую соль кубовых остатков синтетических жирных кислот следующего типа:
Таблица 1
Состав и свойства биополимерных безглинистых промывочных растворов
№ Состав р-ра Параметры Коэфф-т трения корки при времени контакта, мин
г/см3 УВ200/100, с ПФ, см3за 30 мин П мПа-с Т, дПа СНС1/10, дПа pH К, мм
5 10 20
1 H2O + 0.2% Na2CÜ3 + + 0.2% NaOH + + 0.4% Гамаксан + + 1.5% ФИТО РК + + 5% СаСОз 1.01 12 17 4.5 9.1 0/1.7 12 1.0 0.33 0.43 ПР
2 №1 + 10% NaCl 1.12 11 18 7.0 7.5 0/1.7 12 1.0 0.27 ПР ПР
3 №1 + 25% NaCl 1.22 5 19 2.0 3.0 0/1.7 12 1.0 0.18 ПР ПР
4 №2 + 1% СБД-М 1.12 13 23 3.2 8.0 0/1.7 11 1.5 0.33 0.40 0.42
5 №2 + 1% ДСБ-4ТТ 1.12 15 28 4.5 7.5 0/1.7 10 1.5 0.34 0.35 0.45
6 №2 + 1% СМАД-1М 1.12 18 17 4.0 8.5 0/1.7 12 1.0 0.29 0.32 0.32
7 №2 + 1% Эмульсол 1.11 17 30 3.4 5.4 0/0 11 1.5 0.34 0.38 0.40
RCO2H+NH2CH2CH2OH ^ ^ RCO2-HзN+CH2CH2OH;
где Я — углеводородный радикал синтетической жирной кислоты.
Кислотное число продукта реакции составляет 20^30 мгKOH/г.
Лучше совмещается с промывочными жидкостями на водной основе реагент комплексного действия СЭТ-1М 2, обладающий, по данным разработчиков, более высокими противоизносными свойствами, хотя основное назначение его связано с получением инвертных эмульсий.
Реагент СЭТ-1М представляет собой сложный эфир, полученный реакцией оксипропи-лированного глицерина с продуктом взаимодействия кубового остатка синтетических жирных кислот и триэтаноламина. Кислотное число составляет не более 10 мг KOH/г. Реагент СЭТ-1М по составу и технологии получения в определенной степени аналогичен реагенту СМАД-1М, поэтому в дальнейших исследованиях он был использован в качестве основы для получения нового реагента комплексного действия РКД-1. В композицию РКД-1, кроме СЭТ-1М, вошли соединения, понижающие вязкость и улучшающие его антифрикционные и противоизносные свойства путем применения специально разработанной сернистой при-
3
садки .
В качестве базы для сравнения использован часто применяемый в буровой технологии реагент ФК-2000. Результаты изучения влия-
ния различных реагентов на показатели трибо-технических свойств безглинистого раствора приведены на рис. 1—3.
0,2
О ---
0 5 10 15 2« 25
-К-Исх-й р-р (IIР) -*- IIР + 1% СМАД-1М * 111,1
-а-и р+1 % ФК-2000 -о-11Р +1% ркд-х
-А-ИР + 1% Г ТГ-Ш
Рис. 1. Влияние различных реагентов на относительный коэффициент трения пары «металл—корка»
f-
О 1(10 200 Н ГО 4111) 500
-И-Исх-й р-р (ИР) -*-ИР + 1% СМАД-ХМ Р7Я, Н/см2
-Ú-HP+1 % ФК-2000 -О-НР +1% РКД-1 -А-11Р+1Ч ГЭТ-1М
Рис. 2. Влияние различных реагентов на относительный коэффициент трения пары «сталь—сталь»
2,4
г i,f 1,2 0,8 М w
II IM MO 3(1(1 4(111 500
-W-Hei-Й If-l» (ИР) -в-ПР+1%СМАД-1М Р,л, н/см-
-ö-HP + 1% ФК- 2(111(1 -О-ИР + 1 -А РКЦ-1 -*-[ГР + 1% ГЧТ-1М
Рис. 3. Влияние различных реагентов на относительную скорость изнашивания стали
Для удобства сравнительной оценки реагентов результаты опытов представлены в относительных величинах, т. е. по отношению к аналогичным показателям исходного раствора.
Из рис. 1 видно, что смазочная добавка ФК-2000 снижает коэффициент трения корки максимально на 20% при времени контакта металлического образца с коркой до 10 мин. При дальнейшем увеличении времени контакта реагент не снижает коэффициент трения корки. Также на 20% снижает коэффициент трения корки и реагент СЭТ-1М, однако это наблюдается во всем изученном интервале изменения времени контакта (5—20 мин).
Более эффективными для профилактики прихватов являются реагенты РКД-1 и СМАД-1М. Предпочтение следует отдать реагенту РКД 1 благодаря его большей технологичности и лучшей совместимости с промывочной жидкостью. Иная картина наблюдается при трении пары «сталь—сталь». Из рис. 2 видно, что реагенты СМАД-1М и СЭТ-1М практически не влияют на коэффициент трения стали, а реагенты ФК-2000 и РКД 1 снизили его на 15^17% и 30^35% соответственно. Более существенное и неоднозначное влияние оказали изучаемые реагенты на противоизносные свойства исходного раствора. Реагент ФК-2000 повысил скорость изнашивания стали (Сталь 45) во всей исследованной области изменения удельных нагрузок. Для объяснения такого характера влияния реагента ФК-2000 на износостойкость стали необходимы дополнительные исследования.
Реагент СЭТ-1М снизил скорость изнашивания стали во всей области изменения удельных нагрузок, а реагенты СМАД-1М и РКД-1 повысили ее в области удельных нагрузок менее 140—160 Н/см2. При дальнейшем увеличении удельной нагрузки реагент СМАД-1М не
оказал влияния на износостойкость стали, а РКД-1 резко снизил скорость изнашивания стали. Последнее, на наш взгляд, связано с химическим модифицированием рабочей поверхности стали, эффективность которого показана в работах 4 6 применительно к изнашиванию долотных сталей в среде промывочных растворов и смазочных материалов специальной обработкой их соответствующими присадками. Явление химического модифицирования поверхностей трения соответствующими смазочными материалами широко используется в общем машиностроении для повышения стой-
7 8
кости тяжелонагруженных узлов трения ' .
Таким образом, выполненные экспериментальные исследования безглинистых биополимерных промывочных растворов показали, что для улучшения их технологических свойств перспективна разработка реагентов многофункционального действия, комплексно повышающих показатели антифрикционных и противоизносных свойств и в целом облагораживающих эти системы, широко используемые на завершающей стадии строительства скважин.
Литература
1. Пат. 2199570 РФ /Конесев Г. В., Докичев В. А., Мулюков Р. А. и др. // Б. И.- 2003.- №6.
2. Пат. 2236286 РФ / Соловьев А. И., Благовещенский В. А., Докичев В. А., Конесев В. Г. и др.// Б. И.- 2004.- №26.
3. Биглова Р. З. и др. Разработка серосодержащих присадок на основе пипериленовой фракции // Тезисы доклада научно-практической конференции «Нефтепереработка и нефтехимия-2003».- Уфа: УГНТУ, 2003.- С. 134.
4. Конесев Г. В., Мавлютов М. Р., Спивак А. И. Противоизносные и смазочные свойства буровых растворов.- М.: Недра, 1980.- 144 с.
5. Конесев Г. В., Мавлютов М. Р., Спивак А. И., Мулюков Р. А. Смазочное действие сред в буровой технологии.- М.: Недра, 1993.- 272 с.
6. Посташ С.А., Вопияков В.А. Смазывающая добавка ОЖК-ПАВ многофункционального действия / Сб. «Технология бурения нефтяных и газовых скважин».- Уфа: Изд. УНИ, 1975. — 11.- С.135.
7. Гаркунов Д. Н. Триботехника.- М.: Машиностроение, 1985.- 424 с.
8. Костецкий Б. И. Фундаментальные закономерности трения и износа.- Киев: Знание, 1981.- 31 с.
9. Пат. 2307865 РФ. / Биглова Р. З., Талипов Р. Ф., Султанова Р. М. и др. // Б. И.- 2007.- №28.
10. Biglova R. Z., Galimzyanova A. U., Konesev G. V., Zaikov G. E., Talipov R. F. Functionalizing of low-molecular, oligomers dienes and olefins with S-, O-containing compounds. // Book «Syntesis and Properties of Low- and High-molecular Compounds: Quantitative Level»- New York: Nova Science Publishers.- 2006.- P. 183.
