Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА1. Современное состояние и проблемы промывки сильно искривленных и горизонтальных скважин 6
1.1. Роль промывочных жидкостей при строительстве горизонтальных скважин 6
1.2. Используемые в практике бурения полимерные растворы. Требования к ним 10
1.2.1. В области устойчивости ствола скважины 10
1.2.2. В области транспортировки шлама на дневную поверх ность 13
1.2.3. В области смазочных свойств 15
1.2.4. В области загрязнения коллекторских свойств продуктивной зоны 17
1.3. Используемые буровые растворы, их достоинства и недос
татки. Цель и задачи исследований 21
ГЛАВА 2. Лабораторная и промысловая оценка результатов использования биополимерных раство ров
ГЛАВА 3. Исследование и разработка рецептур по лимерных растворов 42
3.1. Выявление рациональных условий применения полимер ных растворов 42
3.2. Исследование свойств биополимерных растворов различно го компонентного состава 47
3.3. Исследование влияния различных ингибиторов на технологические свойства биополимерных растворов 68
3.4. Разработка и исследование рецептур биополимерного раствора для качественного вскрытия пластов 90
ГЛАВА 4. Результаты промысловой апробации усовершенствованных рецептур полимерных раство ров 97
4.1. О методике оценки качества вскрытия продуктивных пластов нефтяных скважин
4.2. Результаты применения усовершенствованных рецептур безглинистых биополимерных растворов для вскрытия продук тивных пластов и бурения горизонтальных скважин 106
Основные выводы и рекомендации 115
Литература
- Используемые в практике бурения полимерные растворы. Требования к ним
- В области смазочных свойств
- Исследование свойств биополимерных растворов различно го компонентного состава
- Результаты применения усовершенствованных рецептур безглинистых биополимерных растворов для вскрытия продук тивных пластов и бурения горизонтальных скважин
Используемые в практике бурения полимерные растворы. Требования к ним
За последние годы существенно возросла актуальность проблемы сохранения потенциальной продуктивности скважин, в том числе и в связи с вовлечением в разработку месторождений со сложно - построенными залежами, низкопроницаемыми продуктивными пластами и продуктивными горизонтами с изменяющимися физическими характеристиками, к качеству вскрытия которых предъявляются более высокие требования.
В этом случае выбор надлежащих буровых растворов может быть определяющим фактором в достижении эффективного заканчивания скважин. Растворы для первичного вскрытия должны обеспечивать оптимальную защиту ( сохранение ) продуктивности пластов и обеспечивать свойства, подходящие для эффективного скоростного бурения.
Исследования, проведенные на кернах, позволили установить, что загрязнение коллектора является результатом образования в нем зоны повышенной водонасыщенности, проникновения в поровое пространство пласта глинистых частиц из бурового раствора, кольматации ими по-ровых каналов и гидратации глин, содержащихся в коллекторе.
Буровые растворы, применяемые при бурении и заканчивании скважин, ухудшают проницаемость пласта в призабойной зоне в основном за счет двух факторов: отрицательного влияния фильтрата на проницаемость пласта и кольматации поровых каналов твердыми частицами.
Как показывают исследования [ 95, 96 ] предотвратить или существенно уменьшить влияние загрязняющих факторов позволяют следующие мероприятия: 1) ограничение проникновения фильтрата в пласт за счет: - обработки раствора полимерами, повышающими вязкость фильтрата; - сокращения времени контакта жидкости с пластом; - снижения перепада давления в системе скважина пласт; 2) Добавка солей калия или аммония для предупреждения набухания и диспергирования глин продуктивного пласта; 3) Обработка раствора ПАВ, регулирующими нефтесмачивающую и эмульгирующую способность жидкости. С учетом этого возможны два принципиальных направления в технологии вскрытия продуктивных пластов:
1. Технология, исключающая проникновение компонентов бурово го раствора ( фильтрата и твердой фазы ) в пласт. Она основана на использовании нефильтрующихся буровых растворов без твердой фазы и бурении на равновесии или при минимальной репрессии. Такое направление в настоящее время широко используется зарубежными фирмами. Используются буровые растворы на основе биополимеров, без твердой фазы с высоковязким и тиксотропным фильтратом ( табл. 2.1).
2. Технология, основанная на придании буровому раствору и его фильтрату таких свойств, которые бы не поражали продуктивный пласт и обеспечивали легкое и полное удаление проникшего фильтрата из пласта и восстановление его первоначальной нефтепроницаемости. В этом случае фильтрат бурового раствора должен обладать высоким ингибирующим действием, обеспечить хорошую нефтесмачивае-мость пород коллектора, иметь низкое межфазное натяжение на границе с углеводородной жидкостью и не образовывать осадки при контакте с пластовыми водами. Таблица 2.1 Состав растворов, применяемых зарубежными фирмами для заканчивания скважин Реагенты Функциональное назначение ФИРМЫ Barroid Messina IFD M-I Drilling Fluids фирменноеназваниереагента содержание, % фирменноеназваниереагента содержание,% фирменноеназваниереагента содержание,% фирменноеназваниереагента содержание,%
Считается, что лучшей полимерной основой для буровых растворов являются реагенты полисахаридной природы - производные целлюлозы и крахмала, которые в силу своих структурных особенностей в сочетании с биополимерами или другими материалами подобного типа способны создавать водные полимерные растворы, не содержащие глинистой твердой фазы, с широким диапазоном эксплуатационных свойств.
В качестве примера попытки эволюционного подхода к выбору оптиальной технологии первичного вскрытия продуктивных горизонтов можно привести опыт использования малоглинистых и безглинистых растворов компании "M-I Drilling Fluids " при бурении скважин разного профиля и конструкций на ряде месторождений Западной Сибири.
Технология, основанная на облагораживании свойств глинистого раствора путем перевода его в категорию малоглинистых ( снижение концентрации активной дисперсной фазы до 3-5 %; снижение реологических параметров с целью избежания дополнительных гидравлических нагрузок на пласт; обработка раствора полимерными реагентами низкой молекулярной массы ( полисахаридами) для эффективного снижения водоотдачи без высокого увеличения пластической вязкости и ДНС ) приводит в большинстве случаев к снижению затрат на освоение скважины, более быстрого вывода ее на режим, но неоднозначным результатам по удельным дебитам пробуренных скважин.
Как видно из табл. 2.2, такие результаты были получены при использовании системы малоглинистого пресного раствора, обработанного следующими реагентами: Poly рас, Duovis, Spersene в качестве раствора для первичного вскрытия продуктивных пластов в Северной части Са-мотлорского месторождения ОАО "Черногорнефть". Удельные приведенные дебиты скважин, на которых первичное вскрытие осуществ Сравнительные данные по качеству вскрытия продуктивных пластов на Самотлорском месторождении ОАО "Черногорнефть" с
В области смазочных свойств
Для последней смеси границы заметного повышения lg гЭф относительно аддитивной простираются вплоть до соотношения компонентов 1 : 19 при всех сдвиговых деформациях. В общем, если для зависимостей изменение lg гэф от состава БП -систем характерно только одно отклонение от аддитивности - в сторону повышения вязкости, то для их фильтратов характерны другие особенности. Так для фильтрата смеси биополимер -ПАЦ-НВ происходит снижение lg гЭф во всем диапазоне соотношений компонентов с максимумом при соотношении 1:3. Причем в этой точке падение вязкости фильтрата, по сравнению с фильтратом раствора биополимер - крахмал, предельно низкое и составляет 97 % отн. lg т,ф.. Особым образом изменяется lg Чэф фильтрата пары биополимер - крахмал в зависимости от их соотношения и величины градиента скорости ( рис. 3.2.7., 3.2.8.). В области высоких значений скорости (1312 с"1) наблюдается для соотношения 1 : 3 биополимер - крахмал, аналогичное составу биополимер - ПАЦ-НВ, наибольшее отклонение lg тЭф фильтрата от условной аддитивности в сторону уменьшения. Вместе с тем, имеется также небольшое повышение вязкости при соотношении 3 : 1 биополимер - крахмал. С переходом к средним и более низким скоростям "волнообразно " меняется характер кривых и в пределе (у = 3 с"1 ) мы имеем форму зависимости lg Чэф от состава смеси похожую на такую же зависимость самого исходного раствора. Причем в точке, отвечающей соотношению биополимер : крахмал = 3:1, вязкость фильтрата наибольшая и выше вязкостей фильтратов исходных полимеров. При соотношении компонентов 1 : 1 она заметно ниже и еще более уменьшается для их соотношения 1:3. Выявленные закономерности изменения т)Эф растворов бинарных БП - систем, а также их фильтратов от соотношения компонентов становятся 0\100
Влияние соотношения биополимер -крахмал в фильтрате на величину изменения логарифма эффективной вязкости при различных скоростях сдвига, в % от аддитивного значения
Скорости сдвига: 1 - 3,0; 2 - 27,0; 3 -145,8; 4 - 437,4; 5-1312 с-1 0\100 вполне объяснимыми, если исходить из понятий природы и степени ассоциации в растворах смесей полимеров.
Как известно [ 99 ] макромолекулы, находящиеся в растворах, часто образуют прочные ассоциаты с другого рода макромолекулами в результате межмолекулярного взаимодействия между структурными элементами полимеров. Для определения процесса ассоциации полимеров в растворе часто полезным оказывается использование явлений, связанных с внутренним трением. Так, в частности, отклонение вязкости растворов смесей полимеров от аддитивной зависимости напрямую указывает на ассоциативный характер макромолекул, которые способны к созданию в растворе надмолекулярных образований в виде ассоциированных макромолекул.
Другими словами, степень отклонения вязкости от аддитивности является как бы мерой полимер - полимерного ассоциативного взаимодействия. Рассмотрение влияния типа ассоциации макромолекул в форме удлиненных жестких частиц на характеристическую вязкость растворов показывает [100 ], что в зависимости от того, как происходит ассоциация частиц изменяется и вязкость. Ассоциация по типу " конец к концу " приводит к увеличению вязкости, видимо, за счет увеличения гидродинамических размеров частиц. Ассоциация при параллельном расположении частиц уменьшает вязкость, а при промежуточном типе ассоциации вязкость может остаться неизменной, что обусловливает соответствующее изменение гидродинамических факторов в ту или иную сторону.
Большинство полимерных макромолекул в растворе находятся, как известно,в виде беспорядочного клубка гибких цепей. И лишь ограниченный класс цепных молекул способен принимать в растворе строго определенные конформации, соответствующие свернутым в спираль стержне-видным структурам. Такое поведение типично для биополимера [101], макромолекулы которого существуют в водном растворе в виде одинарных, двойных и тройных спиралей. Аналогичным образом крахмал, со стоящий из двух ассоциированных полисахаридов- амилозы и амилопек-тина, обладает значительной спиралевидностью [102 ]. Как показано [103 -104 ], карбоксиметильные производные целлюлозы (Na-КМІД и др. ) в водном растворе также могут принимать спиралевидные формы.
Наличие спиралевидное в рассматриваемых макромолекулах (биополимер, крахмал, ПАЦ) придает им определенную конф-ормационную жесткость и их можно рассматривать как некие стержневид-ноподобные образования. Тогда в растворах- БП - систем становится возможной послойная "сэндвичевая " структура, состоящая из геометрически упорядоченных макромолекул - "стержней ".
Тесное взаимодействие между ними, осуществляемое за счет многочисленных водородных связей ( Н- связей ) между ОН-группами, создает полимерный каркас с вовлеченной водой как единую целую пространственную конструкцию, предельно чувствительную к внешним воздействиям. Таким образом, есть основание полагать, что наблюдаемые нами закономерности по влиянию состава БП - систем и их фильтратов на значения ТЭф., связаны с образованием определенных типов ассоциатов макромолекул, отвечающих конкретному соотношению компонентов. Так, рост гэф. ( рис. 3.2.1-3.2.4. ) относительно аддитивной БП- систем с повышением доли полисахаридного полимера ( крахмал, ПАЦ-НВ ) модно представить как перестройку начальных ассоциатов в сторону ассоциатов типа "конец к концу ", которые становятся превалирующими при достижении максимальной гэф ( соотношение компонентов 1 : 1 ). А последующее снижение ЧЭф с уменьшением доли биополимера вызвано трансформацией ассоциатов типа "конец к концу " в ассоциаты с параллельным расположением макромолекулярных частиц.
Исследование свойств биополимерных растворов различно го компонентного состава
Вследствие того, что растворы на основе биополимеров являются растворами с псевдопластичными свойствами, представляет интерес оценка влияния полипропиленгликолей на эти свойства раствора.
Как было показано в разделе 3.2.2., добавки полисахаридных реагентов к раствору биополимера мало сказываясь на псевдопластичности, существенно улучшают его другие технологические свойства.
Относительная индефферентность полисахаридных реагентов, выявленная при исследовании влияния ПАЦ и крахмала на псевдопластические свойства полимерных растворов, объясняется, по- видимому, изоморфным включением спиральных цепочек полисахарида в единую систему водородных связей биополимерного раствора, которое не приводит к существенному нарушению равновесия межмолекулярных взаимодействий и не изменяет характер реологического поведения структурированной жидкости.
Молекулы же водорастворимого ППГ ( 2504 ) напротив, обладая высокой гидрофильностью, а также гибкостью полиэфирных цепочек, могут вступать в специфические взаимодействия с анионными и полярными группами биополимерных и полисахаридных реагентов, существенно изменяя характер и направление структурообразующих водородных связей, привнося в систему новые структурно -пластические реалии, речь о которых пойдет ниже.
Рассмотрим сначала комбинированную систему водного раствора биополимера, содержащего крахмальный реагент. Реологические и фильтрационные показатели такого раствора приведены в табл. 3.3.3.
Из этих данных можно заключить, что введение ППГ в такую систему не приводит к существенному изменению рассмотренных технологических показателей. В целом введение ППГ заметно сказывается лишь на величине пластической вязкости раствора, которая незначительно растет с ростом концентрации ППГ. Кроме того, присутствие ППГ влияет на вязко - пластичные свойства изучаемой полимерной композиции: с ростом концентрации ППГ происходит постепенное снижение псевдопластичных свойств раствора, что выражается в повышении показателя степени "п" ( рис. 3.3.2, кривая 1 ) и снижении величины показателя консистенции "К" ( рис. 3.3.3, кривая 1 ). Перейдем к полимерной системе, состоящей из биополимера и реагента ПАЦ-НВ. Введение в такую систему ППГ также не оказывает заметного влияния на показатель фильтрации системы, в то время, как сдвиговые ха рактеристики несколько снижаются с ростом концентрации ППГ ( табл. 3.3.3 ). Повышение содержания ППГ приводит также к некоторому возраста нию эффективной вязкости системы, что, по-видимому, связано со специфи ческими взаимодействиями гибких гидрофильных цепочек полиэфира с же сткими спиральными фрагментами ПАЦ-НВ.
При введении ППГ в биополимерные растворы с ПАЦ-НВ происходит снижение псевдопластичных свойств системы, как это уже наблюдалось для растворов, использующих крахмальные добавки: показатели "К " и "п" претерпевают изменения, отдаляющие систему от псевдопластичного поведения (рис. 3.3.2, кривая 2; рис. 3.3.3, кривая 2 ). Таким образом, можно заключить, что присутствие ПП 2504 вполне однозначно приводит к некоторому загуще 0,5 1- ОЇ 2 З 1 - биополимер - ПАЦ НВ 2 - биополимер - крахмал нию бинарного полимерного раствора, сопровождающемуся нарастающим отклонением поведения системы от первоначального, характерного для псевдопластичных гелей. Это означает, что введение ППГ приводит к межполимерным взаимодействиям, сопровождающимся снижением интенсивности разрушения исходной вязкой структуры с ростом градиента скорости сдвига. Причина такого "проньютоновского" влияния ППГ заключается, по всей вероятности, в наличии интерполимерного комплексообразования полиэфирных цепочек с биополимерными макромолекулами, которое "цементирует" пространственный полимерный каркас путем разрушения одних и образования новых водородных связей.Это приводит к повышению вязкости и снижению вероятности разрушения межмолекулярных контактов под действием касательных напряжений, что и снижает псевдопластичные характеристики системы. С другой стороны, полиоксиалкиленовые прослойки снижают прочность контактов между крупными нитевидными блоками биополимерной сетки, что способствует деструктурированию системы, понижению сдвиговых характеристик.
Хотя снижение псевдопластичных характеристик биополимерного раствора и незначительно, но добиваться улучшения одних показателей раствора за счет потери части других нерационально.
Известно, что псевдопластичными свойствами обладают растворы на основе жирных кислот и водорастворимых олигомеров полиоксиэтилена. Поэтому нами было решено оценить влияние композиций масло- и водорастворимых полигликолей на реологические свойства биополимерного раствора.
Для этого выбрали смесь ПП 2504 и Лапрола 5003 и 6003, обладающих близкими свойствами по снижению фильтрации и ингибирующему действию. Бинарная смесь ( БПАГ ) была получена путем солюбилизаци маслорас-творимых Лапролов 5003 и 6003 в полигликоле ПП 2504. При вводе этих смесей в биополимерный раствор образовывались мицеллярные структуры. В силу структурных особенностей, влияние БПАГ в виде мицеллярных структур сказывается иным образом на технологических показателях полимерных растворов. Мицеллообразование БПАГ носит индуцированный характер и обусловлено наличием в системе маслорастворимого солюбилизата, в роли которото выступает полигликоль с высоким содержанием оксипропи-леновых структурных звеньев ( более 90 % ). Внедрение мицеллярных структур БПАГ в пространственную полимерную сетку оказывает, в целом, благотворное влияние на фильтрационные свойства, повышая стабильность системы (табл. 3.3.4. )
Совершенно особенным образом мицеллы БПАГ влияют на реологические свойства биополимерных растворов: повышение концентрации мицеллярных структур с одной стороны снижает сдвиговые характеристики (табл. 3.3.4. ), а с другой - способствуют снижению показателя "п" ( рис. 3.3.4. ) и увели чению коэффициента "К " ( рис. 3.3.5. ), что связано с повышением псевдо пластичных свойств системы. Снижение прочности структуры можно объяс нить нарушением межцепных контактов за счет замыкания части водород ных связей на полиоксиэтиленовые цепочки, экранирующие гидрофобное мицеллярное ядро. В то же время, внедрение мицелл БПАГ в межмолекулярное пространство приводит к частичному экранированию соседних биополимерных молекул слоем мицеллярных структур. Мицеллы включаются в межмолекулярное пространство за счет образования водородных связей между гидрофильными полиоксиэтиленовыми цепочками и функциональными группами биополимерных молекул. Таким образом, структура модифицированных надмолекулярных образований характеризуется слоистостью: макромолекулы биополимера разделены экраном из кинетически независимых частиц - мицелл БПАГ. Мицеллы БПАГ более подвижны в поле внешних тангенциальных напряжений, по сравнению с макромолекулами биополимера. Поэтому, при наличии в системе сдвигового градиента в первую очередь происходит разрушение "несущей" мицеллярной прослойки, которое приводит к нарушению контактов между биополимерными молекулами и быстрой деструкции пространственной сетки с ростом тангенциальных напряжений. Этим, по-видимому, и объясняется некоторое повышение псевдопластичных свойств биополимерных растворов с ростом концентрации мицеллярных структур БПАГ.
Результаты применения усовершенствованных рецептур безглинистых биополимерных растворов для вскрытия продук тивных пластов и бурения горизонтальных скважин
На сегодняшний день горизонтальное бурение в определенных геологических условиях приобретает все более широкое распространение, кратно увеличивая производительность скважин, сокращая сроки окупаемости капитальных вложений в разработку месторождений.
Принимая во внимание тот факт, что большинство горизонтальных скважин в продуктивном горизонте не цементируют, оснащая эксплуатационные колонны ( хвостовики ) различными по конструкции фильтрами или эксплуатируют скважины открытым забоем, качество первичного вскрытия продуктивного горизонта имеет особо важное значение. Также известно, что во время бурения горизонтального интервала время контакта раствора с продуктивным пластом, площадь его фильтрации в десятки и сотни раз больше, чем при строительстве вертикальных скважин.
При этом, неправильно подобранный рецептурный состав раствора и его свойства могут значительно повлиять на коллекторские свойства продуктивного пласта, затруднить вызов притока, значительно снизить потенциальную производительность скважин.
Во многих производственных объединениях Западной Сибири при бурении горизонтального участка используется дообработанный глинистый раствор с предыдущего интервала. Как правило, рекомендуется путем уменьшения плотности снизить репрессии на пласт и выдерживать низкие показатели фильтрации.
Основными реагентами, использующимися при обработке раствора являются КМЦ, ПАЦ, гипан. Скважины заканчиваются спуском управляемых фильтров, в затрубье которых закачивают различные составы ( нефть, кислые водные растворы, специальные жидкости ) или оставляют буровой раствор до момента ввода скважины в эксплуатацию.
Наряду с дешевизной и простотой осуществления, используемые растворы имеют ряд серьезных недостатков, вызывающих значительные нарушения фильтрационных характеристик коллектора.
Общий процентный объем активной твердой фазы часто превышает 5-7 % (50-70 кг/м"), а анализ фракционного состава показывает, что около 40-50 % твердых частиц размером менее 4 мкм. При этом создаются благоприятные условия для кольматации ПЗП мелкодисперсной твердой фазой, а при отсутствии перфорации влияние закольматированного участка на качество всего цикла заканчивания может оказаться очень высоким.
Неингибированный водный фильтрат бурового раствора, за счет существующих статических и гидродинамических репрессий, капиллярных процессов, проникает вглубь ПЗП, вызывая различные по последствиям разбухания глинистого цемента, а также увеличение водонасыщенности пласта.
Для исключения негативного влияния традиционных буровых растворов на качество заканчивания горизонтальных скважин нами было предложено использовать для этих целей ингибированные безглинистые биополимерные растворы следующего состава: биополимер - 4 кг/м , модифицированный рахмал - 6 кг/м , КС1 - 30 кг/м .
Промысловые исследования проводились при бурении семи горизонтальных скважин, а также при бурении вторых стволов на месторождениях Западной Сибири различными компаниями, такими как ОАО "Черногорнефть" на Тюменском месторождении, ЗАО "Тура Петролеум" на Кальчинском месторождении, СП "Ваньеганнефть" на Ваньеганском месторождении.
При бурении скважины № 222 на Кальчинском месторождении в кровлю продуктивного горизонта была спущена 168 мм колонна. После выхода из- под башмака на старом растворе перешли на биополимерный раствор.
Безаварийно был пробурен самый длинный в то время в Западной Сибири горизонтальный ствол малого диаметра ( 139,7 мм ) длиной 504 метра. Скважина легко вышла на режим и работает с устойчивым дебитом 120 тонн нефти в сутки, что на 50 % выше ожидаемого результата.
Пласты Ач 2/2 и Ач 3 представлены чередованием аргиллитов, алевролитов, глин, неустойчивых песчаников с проницаемостью 4-10 мД и пористостью порядка 15-18 %.
Опыт бурения четырех боковых стволов на Тюменском месторождении с использованием ингибированного биополимерного раствора показал увеличение дебита скважин на 35-40 % ( до 35-50 т/сутки ) по сравнению с соседними аналогичными скважинами, дающими 26-33 т/сутки.
Полученные промысловые данные в Западной Сибири подтвердили экономическую эффективность применения ингибированных биополимерных растворов для первичного вскрытия продуктивных пластов горизонтальными скважинами. В дальнейшем усовершенствованные системы растворов на основе по-лисахаридных реагентов и биополимеров были успешно применены при строительстве как наклонно - направленных, так и горизонтальных скважин в различных районах Западной Сибири. В среднем, как видно из таблицы 4.7., в вертикальных и наклонно- направленных скважинах достигается увеличение продуктивности в 2-2,5 раза, а в горизонтальных в 4,0-5,0 раза.
