Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ опыта применения полисахаридных растворов и обоснование требований к буровым растворам для строительства скважин на месторождениях севера Тюменской области 6
1.1 Анализ опыта применения биополимерных буровых растворов на основе многофункциональных полисахаридов 6
1.2 Обоснование требований к буровым растворам для строительства скважин на месторождениях севера Тюменской области 15
2 Оценка достоверности определения реологических свойств и идентификация реологической модели полисахаридных буровых растворов 22
3 Сравнительные исследования эффективности полисхаридных реагентов и разработка технических требований к биополимерам 35
4 Экспериментальное обоснование составов полисахаридных растворов с учетом специфики строительства скважин 42
4.1 Исследования термодеструкции биополимеров 42
4.2 Исследования биодеструкции полисахаридов 43
4.3 Исследования криолиза биополимерных реагентов при отрицательных температурах 46
4.4 Экспериментальные исследования конвективной теплопередачи в полимерных растворах 52
5 Разработка нормативно-технической и технологической документации по составам полисахаридных буровых растворов для проектирования и строительства скважин 57
Основные выводы и рекомендации 67
Список использованных источников 68
Приложения 76
- Анализ опыта применения биополимерных буровых растворов на основе многофункциональных полисахаридов
- Сравнительные исследования эффективности полисхаридных реагентов и разработка технических требований к биополимерам
- Исследования криолиза биополимерных реагентов при отрицательных температурах
- Разработка нормативно-технической и технологической документации по составам полисахаридных буровых растворов для проектирования и строительства скважин
Введение к работе
Актуальность проблемы
Выполнение планов добычи углеводородного сырья в России напрямую связано с повышением технико-экономической эффективности буровых работ. В структуре буровых работ отмечается тенденция роста наклонно направленного бурения скважин с горизонтальным окончанием ствола, в последние годы доля таких скважин выросла до 15 % от общего числа. Также увеличиваются объемы бурения скважин со сложными конструкциями и длинными протяженными стволами до 5 тыс. м. и более. В этих условиях растет число осложнений и аварий связанных с качеством применяемых буровых растворов, которое ведет к увеличению затрат времени на строительство скважин. В связи с этим одним из направлений повышения эффективности строительства скважин является совершенствование составов буровых растворов за счет применения полисахаридных реагентов, в том числе биополимеров (полисахаридов продуцируемых микробными культурами на углеводах). Биополимеры обладают комплексом уникальных свойств, основным из которых является возможность эффективного управления реологической характеристикой бурового раствора за счет их псевдопластичности, обеспечивая очистку скважин от выбуренной породы при низких гидродинамических сопротивлениях. Сложные геологические условия строительства глубоких скважин, на месторождениях дочерних обществ ОАО «Газпром», расположенных в районах Крайнего Севера, обусловленные наличием мерзлых пород, пластов с аномально высокими пластовыми давлениями, а также длительная продолжительность циркуляции бурового раствора при проходке протяженных стволов определяют актуальность разработки составов полисахаридных растворов с нелинейными реологическими характеристиками.
Цель работы
Повышение эффективности строительства скважин за счет предотвращения аварий и осложнений при производстве буровых работ путем разработки и использования биополимерных буровых растворов на основе многофункциональных полисахаридных реагентов.
Основные задачи исследований
1. Анализ опыта применения биополимерных растворов на основе многофункциональных полисахаридных реагентов и обоснование требований к буровым растворам для строительства глубоких скважин на месторождениях севера Тюменской области.
2. Оценка достоверности определения реологических свойств и идентификация реологической модели полисахаридных буровых растворов.
3. Сравнительные исследования эффективности полисахаридных реагентов для регулирования технологических показателей буровых растворов.
4. Экспериментальное обоснование составов полисахаридных растворов с учетом специфики строительства скважин.
5. Разработка нормативно-технической и технологической документации по составам и технологии применения буровых растворов на основе многофункциональных полисахаридных реагентов для проектирования и строительства скважин. Опытно-промысловое внедрение разработанных составов буровых растворов.
Научная новизна выполненной работы
1. Теоретически обосновано и экспериментально доказано, что реологическая характеристика полисахаридных растворов аппроксимируется моделью Гершеля – Балкли во всем диапазоне скоростей, которая позволяет повысить достоверность определения динамического напряжения сдвига в сравнении с традиционным способом.
2. Установлена взаимосвязь конвективной теплопередачи в полимерных растворах с реологической характеристикой растворов и определены граничные условия, при которых теплопередача замедляется.
3. Доказано, что в результате биодеструкции показатель нелинейности водных растворов полианионной целлюлозы увеличивается. Выделено три этапа биодеструкции и доказано, что наиболее интенсивно потеря псевдопластичных свойств происходит на втором этапе.
Практическая ценность и реализация работы
1. На основе выполненных исследований дана сравнительная оценка эффективности применения полисахаридов (более 60 наименований) для регулирования свойств буровых растворов.
2. Разработаны технические требования к биополимерам для их применения в составах буровых растворов.
3. Разработаны составы буровых растворов для бурения в условиях ограниченной объемной скорости промывки с повышенной транспортирующей способностью.
4. Основные положения диссертационной работы реализованы в следующих нормативно-технических документах:
– СТО Газпром 2-3.2-151-2007 «Биополимерные компоненты буровых растворов. Технические требования»;
– Р Газпром 2-3.2-254-2008 «Буровые растворы на основе биополимеров. Составы и технология применения»;
– Р Газпром 2-3.2-277-2008 «Составы, технологии приготовления и обработки буровых растворов для строительства скважин на ачимовские отложения Уренгойского ГКМ»;
– ГРП № 1511К/06-160-Э «Групповой рабочий проект на строительство эксплуатационных скважин на ачимовские отложения Уренгойского НГКМ (второй ачимовский участок)».
5. Разработанные составы буровых растворов внедрены в практику бурения эксплуатационных ачимовских скважин Уренгойского месторождения.
Апробация результатов исследования
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: 11-ой Международной конференции «Эфиры целлюлозы и крахмала: Синтез, свойства, применение» (Владимир, 2007 г); 2-ой Международной научно-практической конференции «Современные технологии капитального ремонта скважин и повышения нефтеотдачи пластов. Перспективы развития» (Геленджик, 2007 г.); 2-ой научно-практической конференции молодых ученых и специалистов, посвященной 45-летию ОАО «СЕВКАВНИПИГАЗ» (Ставрополь, 2077 г.); Научно-практической конференции молодых специалистов и учёных ООО «ТюменНИИгипрогаз» (Тюмень, 2008 г.); заседаниях секции «Бурение и строительство скважин» Научно-технического совета ОАО «Газпром» (Кисловодск, 2008, 2010 гг.; Геленджик, 2011 г.); научно-технических семинарах кафедры «Бурение нефтяных и газовых скважин» ТюмГНГУ (Тюмень, 2009, 2012 гг.).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 18 печатных работ, в том числе семь статей в изданиях, рекомендованных ВАК Российской Федерации и 3 патента Российской Федерации на изобретение.
Объём и структура работы
Диссертационная работа изложена на 111 страницах машинописного текста, содержит 31 таблицу,17 рисунков. Состоит из введения, пяти разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников из 72 наименований и двух приложений.
Анализ опыта применения биополимерных буровых растворов на основе многофункциональных полисахаридов
Увеличение объемов глубокого разведочного и эксплуатационного бурения с применением сложных конструкций скважин с большими отходами забоев от вертикали, перемещение буровых работ в труднодоступные районы, а также усложнение геологических условий бурения требует создания и внедрения в промысловую практику новых систем промывочных жидкостей. Технологические свойства буровых растворов, их компонентный состав в значительной степени определяют технико-экономические показатели бурения и качество строительства скважин, особенно с горизонтальным окончанием ствола. В структуре производства буровых компаний доля скважин с горизонтальным окончанием продолжает увеличиваться. Статистика показывает, что за последние три года объем горизонтального бурения увеличился более чем на 30 %.
Отечественный и зарубежный опыт бурения наклонно - направленных и горизонтальных скважин доказал целесообразность использования биополимерных реагентов, растворы которых обладают высокими псевдопластичными и тиксотропными свойствами [1, 2, 3, 4]. В бурении наиболее широко применяются биополимеры ксантанового ряда. При сходном качественном составе биополимеры отличаются молекулярным соотношением входящих в них компонентов. Промышленное производство ксантановой смолы начато в 1964 году [5, 6, 7].
Биополимерные компоненты буровых растворов (биополимеры) - это микробные полисахариды, продуцируемые на углеводах. В бурении наиболее широко применяется ксантан. В настоящее время почти 40 % мирового производства ксантана используется в нефтедобывающей промышленности [5]. Ксантан продуцируется штаммами Xanthomonas campestris. В его состав включены 117 патоваров [8], которые отличаются узкой специфичностью, наиболее перспективными являются только шесть из них, приведенные в таблице 1.1.
При сходном качественном составе экзополисахарида (ЭПС) у патоваров X. campestris полимеры отличаются молярным соотношением входящих в них компонентов. Более того, у ксантана, продуцируемого одним патоваром X. campestris, полученного в разных лабораториях не выявлено сходства в молярном соотношении компонентов. Чтобы лучше оценить свойства ксантановой смолы следует начать с ее молекулярной структуры. Молекула ксантана построена из повторяющихся пятичленных блоков, содержащих D-глюкозу, D-маннозу, D-глюкуроновую кислоту. Молекулярная масса может варьироваться от 2-Ю6 до 5-Ю6 (рисунок 1.1).
Бета-(1,4)-связанная основа D-глюкозы (идентичная целлюлозе) замещается в 3 позиции глюкозной группы трисахаридом, состоящим из Бета-(1,3)-связанной ацетилированной маннозной группой, Альфа-(1,2)-связанной глюкуроновой кислотной группой и Альфа-(1,4)- связанной маннозной группой. Приблизительно половина конечных маннозных групп реагируют с пировинограднои кислотой в 4- и 6- позициях. Благодаря присутствию звеньев пировинограднои и глюкуроновой кислот молекула ксантановои смолы становится анионоактивной. Будучи достаточно длинными и обладая свободой перемещения, боковые звенья трисахаридов, расположенные вокруг глюкозной основы, ограничивают ее движение, тем самым, придавая молекуле полужесткие свойства в растворе и защищая основу от агрессивной среды. Наличие боковых звеньев трисахаридов придает молекуле, состоящей из пяти симметричных звеньев, вид спирали. Существуют молекулы в виде одинарной, двойной и тройной спирали. В растворе, под действием вторичных валентностей эти молекулы образуют сложную, и вместе с тем упорядоченную сеть. Эти слабо связанные конгломераты постепенно разрушаются под действием усилий сдвига, которые придают ярко выраженную псевдопластическую реологию растворам ксантановои смолы. С другой стороны, хорошо упорядоченная сеть разветвленных неэластичных молекул позволяет получить раствор с высоким пределом текучести, что обуславливает отличные удерживающие свойства ксантановои смолы.
Ксантановую смолу правильнее отнести к природным полимерам, хотя фактически ее получают искусственным, а не естественным путем. Метод получения ксантановои смолы был разработан в 1961 г. в Северном региональном центре Управления по исследованиям в сельском хозействе, г. Пеория, шт. Иллинойс, США. В опубликованном в 1976 г. обзоре Джинза содержится перечень публикаций, посвященных ксантану и состоящий из 49 наименований. В качестве компонента буровых растворов его начали применять в середине 60-х годов прошлого века под названием «ХС-полимер». Фирма «Келко» начала промышленное производства ксантановои смолы в 1964 году [7].
За рубежом в 70-80-е годы прошлого века проведены работы по созданию буровых растворов с биополимерами типа ксантана и дополнительными добавками: гидроксиэтилцеллюлозы [9], крахмала [10, 11], поливалентных сшивателей [12, 13, 14, 15], соли лигносульфокислоты [16], специальной органической смолы в соотношении от 40:60 до 80:20 [17]. Эти добавки увеличивают вязкость промывочных растворов при низких напряжениях сдвига, повышают температурную стабильность и способность удерживать во взвешенном состоянии шлам, даже при разбуривании пород с высокой минерализацией, а также позволяют уменьшить стоимость раствора, так как стоимость полимеров типа ХС относительно высока.
Велись работы и по созданию полимеров аналогов ксантана, которые отличались высокой эффективностью в буровых растворах на основе солей в условиях горизонтального бурения на одном из участков Аляски [18]. Разработана промывочная жидкость, представляющая собой водный раствор гетерополисахарида S-7. Этот полисахарид получают ферментацией углеводного сырья с помощью бактерий Azotobacter indicus var, myxogenes (способ получения биополимера детально изложен в описании изобретения). Растворы гетерополисахарида S-7 концентрацией 0,05—2,25 вес. %, приготовленные на пресной или минерализованной воде, могут применяться в качестве буровых растворов. Водные растворы биополимера S-7 обладают ярко выраженными свойствами псевдопластичных жидкостей: эффективная вязкость раствора понижается при увеличении скорости сдвига. По данным лабораторных экспериментов вязкость растворов биополимера остается практически неизменной при изменении температуры от 5 до 90 С, рН от 2 до 12 и при увеличении концентрации электролитов. При вводе в раствор гетерополисахарида S-7 растворимых солей поливалентных металлов (Cr, Zn, Са, Mg, Al, Fe и др.) и щелочи происходит образование сшитого полимера. При этом имеет место увеличение вязкости системы, которая, кроме того, приобретает способность к застудневанию. Для преобразования в сшитый полимер соотношение между количеством соли поливалентного металла и гетерополисахарида должно быть в пределах 1:2 - 1:1, а количество щелочи определяется оптимальной для реакции величиной рН = 7,5-11,0. Для предотвращения ферментации биополимера раствор должен содержать бактерицид. В раствор, приготовленный на базе биополимера, можно вводить обычные реагенты, глину, утяжелитель [19, 20].
Одна из первых отечественных публикаций о получении биополимера на основе доступных отечественных материалов и штамма появилась в 70-х годах прошлого века [21]. Н.М. Колодкова, Т.Я. Дедусенко, М.И. Липкес предложили системы безглинистых и малоглинистых растворов и хроморганического комплексного соединения [22, 23, 24]. Позднее был создан реагент БП-1, относящийся к биополимерам [25].
В 80-х г. ВНИИКрнефть (Пеньков А.И. и др.) совместно с Северо-Кавказким филиалом ВНИИ синтеза белка предложили в качестве основы бурового раствора биополимер, продуцируемый дрожжами Cryplococcus laurentii [26, 27]. Разработаны технические условия и регламент на производство экспериментальной партии (20 т) биополимера - криптан [28]. В тоже время были проведены обширные экспериментальные исследования по синтезу биополимеров и созданию рецептур буровых растворов на их основе на Украине [29, 30, 31]. В результате был запатентован буровой раствор, содержащий биополимер, хлорид хрома, палыгорскитовую глину и воду [32, 33].
Сравнительные исследования эффективности полисхаридных реагентов и разработка технических требований к биополимерам
Для проведения сравнительных исследований эффективности полисахаридных реагентов по их влиянию на технологические показатели буровых растворов, исследуемые полисахариды были разделены на три основные группы: полимеры на основе эфиров целлюлозы, крахмалсодержащие реагенты и биополимеры.
Проведены исследования 27 наименований полимеров на основе эфиров целлюлозы отечественного и зарубежного производства. При проведении испытаний использованы метрологически аттестованные методики выполнения измерений.
Установлено, что отечественные полимеры Na-карбоксиметилцеллюлозы высокомолекулярных марок ЗАО «Полицелл» и ЗАО «Карбокам-Пермь» практически не уступают импортным аналогам (приложение 2, таблица П.2.1).
Полианионные целлюлозы отечественные марок тех же производителей в сравнении с импортными являются менее вязкими (приложение 2, таблица П. 2.2). Следует отметить лучший образец по солестойкости и стабилизирующей способности ПАЦ-ВВ ЗАО «Карбокам-Пермь». Этот образец отличается относительно высоким содержанием основного вещества (60 %).
Испытания показали, что марки ОЭЦ и КМОЭЦ ЗАО «Полицелл» по своим показателям качества находятся в диапазоне импортных аналогов (приложение 2, таблица П.2.3).
Экспериментальные исследования отечественных полимеров Na-КМЦ, ПАЦ, ОЭЦ, КМОЭЦ и сравнение их качества с импортными аналогами показывают, что эти реагенты обеспечивают возможность управления технологическими параметрами буровых растворов в широком диапазоне.
Исследовано влияние на свойства буровых растворов 18 крахмальных реагентов: восемь полимеров импортного производства фирм Avebe, Baroid, Hercules, BW Mud Ltd и десять отечественных полимеров в основном разных модификаций ЗАО «Полинелл» и два образца НІЖ «Спецбуртехнология».
Установлено, что все крахмальные реагенты снижают фильтрацию пресных и солёных (до 5 % NaCl) глинистых растворов в концентрации от 1 до 1,5 % и более, при этом наблюдается повышение вязкости системы и нарастание структуры. Больших различий в действии отдельных полимеров не прослеживается.
Для оперативного разграничения исследованных полимеров по эффективности действия на сильноминерализованные глинистые растворы проверено их влияние на ингибированную буровую систему (ИБС) следующего состава: глинопорошок 70 г/л; хлористый натрий 311 г/л; хлористый кальций 5 г/л; хлористый магний 5 г/л. ИБС обрабатывалась двумя процентами крахмальных реагентов. Для тех полимеров, которые при этой добавке не обеспечивали достаточного снижения фильтрации исследуемого раствора, были опробованы большие добавки (3- 4 %).
Обобщённые результаты исследований представлены в таблицах (приложение 2, таблицы П.2.4, П.2.5). Наибольшую эффективность, из подвергнутых испытаниям импортных полимеров, проявляет реагент Galastosol R 252 (фирма Hercules). Этот реагент сильно загущает систему и снижает фильтрацию до 16 см /30 мин, которая сохраняется очень низкой при исследовании на установке УИВ-2 при температуре 80 С и давлении 5 МПа (8,5 см ). При термостатировании раствора при 100 С в течение 2 ч наблюдается ещё больше его загущение и практически не изменяется фильтрация.
Очень хорошие показатели присущи крахмальным реагентам фирмы Baroid (Filter check, Dextrid, Impermex). Они значительно снижают фильтрацию раствора до 2-2,7 см в обычных условиях и забойных (температура 80 С и давление 5 МПа) до 15 см . Для растворов с этими полимерами невысокое значение статической фильтрации (5,7 см ) сохраняется после термостатирования при 100 С в течение 2 часов. В отличие от Galastosol R 252, эти реагенты не вызывают значительного загущения исследованной системы.
Худшие результаты получены в растворах с добавкой Stabilose HTL (фирма Avebe). Её эффективность как понизителя фильтрации сильноминерализованного раствора проявляется при добавке 4 %. Можно предположить, что этот полимер содержит меньшее количество основного вещества.
Из отечественных крахмальных реагентов, подвергнутых испытаниям, приближается к лучшим импортным образцам реагент Фито-РК (НІЖ «Спецбуртехнология») и комплексный полимерный реагент ПСБ на основе крахмала и целлюлозы (ЗАО «Полицелл»).
Реагент полисахаридный ПСБ (ЗАО «Полицелл») проявляет свою эффективность, как и Stabilose HTL при увеличении добавки до 4 %.
Карбоксиметилированный крахмальный реагент КМК (ЗАО «Полицелл») в исследованном сильноминерализованном растворе слабо снижает фильтрацию: до 11 см в нормальных условиях и до 35 см в пластовых условиях даже при увеличенной добавке 4 %. Его применение может быть ограничено пресными малоглинистыми системами.
Проведённые эксперименты позволяют сделать вывод о том, что из исследованных отечественных крахмальных реагентов по эффективности стабилизации соленасыщенных глинистых систем можно выделить полимер Фито-РК и комплексный полимерный реагент ПСБ. Эти реагенты практически соответствуют лучшим импортным образцам фирмы Baroid.
Для строительства скважин отечественными и зарубежными производителями (США, Китай, Италия) предлагается широкий ассортимент биополимерных реагентов. В условиях повешенного спроса на биополимеры со стороны буровых подрядчиков и сервисных компаний (в том числе отечественных) особую актуальность приобретает регламентация технической характеристики и методов оценки их качества для применения в составе буровых растворов. Исследовано 17 марок биополимеров отечественного и импортного производства, сведения о которых представлены в таблице 3.1.
Реологическое поведение растворов оценивалось в диапазоне скоростей сдвига от 5,1 до 1022 с" . Псевдопластичные свойства водных растворов биополимеров оценивали по показателю нелинейности (п) и показателю консистенции (К).
Реологические и другие показатели пресных и слабоминерализованных водных растворов биополимеров представлены в таблице (приложение 2, таблица П.2.6). Из таблицы видно, что все биополимеры образуют структурированные псевдопластичные системы при нарастании концентрации в растворе с 0,1 % до 0,7 %.
Кривые течения водных растворов исследованных биополимеров имеют идентичный пологий характер (приложение 2, рисунок П.2.1). На рисунке (приложение 2, рисунок П.2.2) показано изменение эффективной вязкости 0,5 % водных растворов испытанных биополимеров в зависимости от скорости сдвига, что можно связать с изменением вязкости, происходящим в разных точках системы циркуляции бурового раствора: высокая эффективная вязкость в затрубном пространстве и низкая во внутреннем канале бурильной колонны, минимальная в насадках долота, что может обеспечить высокую скорость проходки.
Экспериментально установлено, что показатель нелинейности водных растворов уменьшается (приложение 2, рисунок П.2.3) при изменении концентрации от 0,1 до 0,7 %. При концентрации 0,7 % показатель нелинейности находится для разных реагентов в диапазоне 0,25н-0,45.
Известно, что оседание частиц шлама в наклонно-направленных и горизонтальных участках скважины не может быть полностью предотвращено за счет регулирования реологических свойств раствора. Поэтому необходимо, чтобы буровой раствор обладал быстроформирующейся структурой, прочность которой оценивается величиной СНС. Величина СНС уже в начальный момент времени должна быть достаточна для удержания во взвешенном состоянии шлама при остановке циркуляции. Предпочтительны растворы, скорость роста СНС которых в первую минуту высока, затем становится равной нулю. В безглинистых растворах биополимеров отмечается появление структуры раствора уже через 1 минуту нахождения в покое (приложение 2, рисунок П.2.4), причем более значительное, чем выше содержание реагента в растворе. Наиболее плавное нарастание структуры в зависимости от концентрации характерно для полимеров ХС и XCD Polymer (BW Mud Ltd.) и Idvis, а наиболее резкое XCD (Бароид) и К. К. «Робус». При 0,4 % концентрации полимеров в воде разница между СНС первой группы и второй достигает 4-5 раз.
Исследования криолиза биополимерных реагентов при отрицательных температурах
Исследования влияния криолиза на технологические свойства водных растворов биополимеров проводили в два этапа: оценка влияния низкой отрицательной температуры на биополимеры при их длительном хранении; определение изменения реологических свойств водных растворов биополимеров при их многократном замораживании и оттаивании. Для исследований использовались образцы биополимеров XCD, Поликсан, ксантановая смола, а также образцы Биоксан и К.К. Робус, в том числе модифицированные бактерицидами. В качестве источника низкой температуры использовали низкотемпературный термостат «ЭкспОТ-НТ.50», обеспечивающий возможность охлаждения образцов до - 50 С. Исследование свойств биополимера (товарного продукта) при хранении в условиях низких отрицательных температур проводили в следующей последовательности. Каждый образец биополимера был разделен на две одинаковые части. Одна половинка образца биополимера хранилась при комнатной (22 ± 1) С, другая при отрицательной (- 40 ± 1) С температурах. Хранение проводилось без доступа дневного света в сосудах, исключающих бактериальное заражение биополимера. Один раз в месяц из каждой половинки образца биополимера брали пробу и готовили два водных раствора этого биополимера одинаковой концентрации (0,6 % вес). Эксперимент продолжался 9 месяцев. В таблице (приложение 2, таблица 10) приведена динамика изменения технологических показателей водных растворов биополимеров, сухие образцы которых хранились при положительной и отрицательной температурах. Замеры условной вязкости биополимерных растворов проводили по метрологически аттестованной методике. Из таблицы видно, что изменения условной вязкости растворов в зависимости от температуры хранения образцов биополимеров практически отсутствуют и находятся в пределах погрешности ее измерений. Такие же результаты получены при измерении структурно-механических свойств биополимерных растворов. В начале эксперимента статическое напряжение сдвига (СНС) составляло для К.К. Робус - 77/81 дПа, для Биоксан - 81/86 дПа, через 9 месяцев хранения эти показатели были равны соответственно 77/81 дПа и 67/72 дПа, а температура хранения заметного влияния на изменение СНС не оказала. Для оценки изменения реологических свойств биополимеров, хранящихся при резко отличающихся температурах проводились исследования их водных растворов. Реологическая характеристика измерялась в диапазоне градиента скорости сдвига от 5 до 1022 с"1 по метрологически аттестованной методике. Погрешность измерений реологических показателей составляла в среднем 16 %. Реологическую характеристику водных растворов биополимеров определяли по модели Гершеля - Балкли, которая с высокой достоверностью аппроксимации (R более 0,95) описывает результаты экспериментов. Установлено, что во всех экспериментах отклонения показателей реологической характеристики (т0, к, п) водных растворов каждой из двух частей биополимера были незначительные (менее 10 %) и находились в диапазоне погрешности измерений. Таким образом, результаты экспериментальных исследований доказывают, что температура хранения (от + 22 С до - 40 С) сухих порошкообразных биополимеров (влажность менее 10 %) в течение длительного времени (9 месяцев) практически не сказывается на их качестве.
Исследование изменения свойств водных растворов биополимеров в условиях их криолиза проводили следующим образом. Были приготовлены водные растворы различных биополимеров (XCD, Поликсан, К.К. Робус, Биоксан) одинаковой концентрации - 0,5 % вес. и замерены их реологические и структурно-механические свойства при комнатной температуре. После этого биополимерные растворы замораживали в низкотемпературном термостате при температуре - 41 С в течение суток до полной кристаллизации жидкой фазы. Затем их отогревали при комнатной температуре и вновь замеряли технологические параметры. Процедуру замораживания и оттаивания повторяли пять раз в течение двух недель. Отмечено, что в результате криолиза происходит ухудшение всех контролируемых показателей водных растворов биополимеров. При изучении криолиза биополимеров особое внимание было уделено его влиянию на псевдопластические свойства биополимерного раствора. Показатель нелинейности (п) реологической характеристики определяли по модели Гершеля - Балкли, по результатам каждого эксперимента. Анализом экспериментальных данных было установлено, что в течении пяти циклов замораживания и оттаивания водных растворов модифицированного биополимера Биоксан-Т и биополимера К.К. Робус их показатель п остается постоянным. Для остальных образцов биополимеров показатель п в результате криолиза увеличивается по линейной зависимости (таблица 4.3).
Статистической обработкой результатов исследований установлено, что эти зависимости имеют достаточно высокую величину достоверности аппроксимации (R более 0,74). Например, показатель п водного раствора XCD в зависимости от количества циклов криолиза (а) увеличивается с зависимостью п = 0,32+0,022-а (R =0,74), а водный раствор Поликсана теряет свои псевдопластические свойства по зависимости п = 0,34+0,041-а (R =0,79). Анализ зависимостей изменения показателя п от числа низкотемпературных воздействий показывает, что исследованные биополимеры отличаются между собой по устойчивости к криолизу почти в два раза. Аналогичная динамика отмечается для показателя консистенции (к), который в результате многократного криолиза уменьшается в зависимости от типа полимера с различной интенсивностью. Например, для Поликсана отмечено снижение показателя к с 3,9 Па-с до 0,9 Па-с, то есть в 4,3 раза, а у Биоксан-Т этот показатель не изменялся и остался на уровне 0,6-0,7 Па-с. Отмечено, что криолиз биополимера в значительной степени сказывается на условной вязкости раствора, которая характеризует способность свободного истечения жидкости из конусообразной воронки. Установлено, что для большинства исследованных биополимеров наиболее интенсивно криолиз проявляется уже при первом цикле (однократное замораживание и оттаивание). На рисунках 4.1 и 4.2 приведена динамика изменения условной вязкости и эффективной вязкости при 3 об/мин ротационного вискозиметра. Анализ результатов экспериментальных исследований показывает, что криолиз, ухудшая качество биополимерного раствора, приводит к повышенному расходу биополимеров для управления его технологическими показателями.
Таким образом, проведенные исследования показывают, что при использовании биополимерных растворов в условиях низких отрицательных температур необходимо учитывать изменение их технологических свойств в результате криолиза.
Разработка нормативно-технической и технологической документации по составам полисахаридных буровых растворов для проектирования и строительства скважин
Разработка составов буровых растворов для строительства скважин на ачимовские отложения Уренгойского ГКМ была проведена с учетом геологических условий и конструкций скважин на основании предъявляемых требований для предотвращения специфических осложнений.
При бурении под кондуктор в верхней части разреза, которая представлена многолетнемерзлыми породами, необходимо снизить интенсивность кавернообразования за счет снижения теплообмена между стенкой скважины и буровым раствором. Буровой раствор также должен обеспечивать эффективный вынос шлама и предотвращать обвалы стенок скважины.
Практика бурения скважин в этом районе доказала, что наиболее рационально использовать в этом интервале полимерглинистые растворы с малым содержанием твердой фазы с регулируемыми псевдопластичными свойствами, проявляющимися в сдвиговом разжижении жидкости. Основным требованием к буровому раствору при бурении интервала неустойчивых пород в зоне ММП является оптимизация псевдопластичных и тиксотропных свойств. Для уменьшения теплоэрозионного разрушения стенок скважины и образования каверн при бурении долотом диаметром 490 мм раствор должен обладать высокими псевдопластичными свойствами (показатель нелинейности не более 0,5) для обеспечения ламинарного течения в пристенной области ствола скважины. Для предупреждения образования шламовых пробок при остановке циркуляции необходимо, чтобы буровой раствор обладал быстроформирующейся структурой, прочность которой оценивается величиной СНС. Величина СНС уже в начальный момент времени должна быть достаточна для удержания шлама во взвешенном состоянии (50-60 ДПа за 1 минуту покоя, 70-80 ДПа за 10 минут). Обеспечение высоких реологических и структурно-механических показателей малоглинистому раствору могут обеспечить биополимерные реагенты. В результате сравнительного анализа был выбран биополимер К.К. «Робус», который обеспечивает высокие реологические и структурно-механические показатели. Разработан состав малоглинистого раствора, включающий биополимер К.К. «Робус», понизитель фильтрации полианионная целлюлоза ПАЦ-Н и эффективную смазочную добавку СМЭГ, которые необходимы для снижения опасности прихватов.
Технология приготовления бурового раствора для бурения под кондуктор:
- в технической воде диспергируется глинопорошок (в течение от 3 до 4 ч) в количестве 60 кг на 1 м её объема;
- приготовленная глинистая суспензия стабилизируется биополимером К.К. «Робус» в количестве 3,0 кг на 1 м её объема;
- необходимые фильтрационные показатели бурового раствора достигаются обработкой ПАЦ-Н в количестве 5,0 кг на 1 м его объема;
- затем буровой раствор обрабатывается смазочной добавкой СМЭГ в количестве 15 кг на 1 м раствора.
Интервал бурения под промежуточную колонну представлен в основном высокоактивными глинистыми отложениями. При бурении в таких глинах, главным образом, необходимо предотвращение таких явлений, как образование сальников, желобов, наработка бурового раствора. Необходимость стабилизации состояния пластичных глин определяется временем спуска технической колонны. В данном случае раствор должен минимизировать диспергирование глин до выхода их на поверхность. С учетом этого разработан полимерглинистый буровой раствор с улучшенными ингибирующими и смазочными свойствами, в котором используется синергетический эффект взаимодействия реагентов полисахаридной природы, являющихся понизителями фильтрации, регуляторами реологических свойств жидкости и понизителями ее набухания, а также стабилизирующий и ингибирующий эффект акрилового полимера Barripan. Смазочная добавка на жировой основе наряду с обеспечением смазочного эффекта так же вносит дополнительный вклад в уменьшение наработки бурового раствора путём образования плотного адсорбированного слоя жирных кислот на поверхности глобул глины.
Технология приготовления бурового раствора для бурения под промежуточную колонну:
- в технической воде диспергируется глинопорошок (в течение от 3 до 4 ч) в количестве 20 кг на 1 м ее объема;
- приготовленная глинистая суспензия стабилизируется ПАЦ-В в количестве 3,0 кг на 1 м её объема;
- необходимые фильтрационные показатели бурового раствора достигаются обработкой ПАЦ-Н в количестве 5,0 кг на 1 м его объема;
- для ингибирования выбуренной глинистой породы и улучшения качества очистки буровой раствор следует обрабатывать полиакриламидным реагентом Barripan в количестве 3 кг на 1 м его объема;
- для улучшения противоприхватных свойств буровой раствор обрабатывается смазочной добавкой СМЭГ в количестве 10 кг на 1 м его объема.
Состав раствора под эксплуатационную колонну разрабатывался с учетом следующих условий: обеспечение необходимости эффективной очистки наклонного ствола скважины за счёт высоких реологических показателей раствора и его максимально возможной псевдопластичности, снижение прихватоопасности за счёт обеспечения улучшенных смазочных свойств раствора и низкого показателя фильтрации, обеспечение устойчивости ствола скважины при бурении в условиях малопластичных, обезвоженных глин, профилактики возможных поглощений. Таким образом, разработан полимерглинистый раствор с блокирующими свойствами за счёт применения комплексного реагента «Смолополимер», с регулируемой плотностью для компенсации поровых давлений, улучшенными смазочными свойствами за счёт применения сочетания жидкой смазочной добавки на жировой основе СМЭГ и порошкообразных смазок КСД и Силанж, которые синергитически усиливают действие друг друга, а также обеспечивают дополнительное блокирование трещин на стенках скважины. В разработанном составе раствора использовано синергетическое сочетание полисахаридного реагента ПАЦ-В, полиакрилата Barripan и кремнийорганической жидкости «Основа-ГС» (для формирования плотного гидратного полимера за счёт его одновременного насыщения.
Сочетание полимеров с реагентом «Основа-ГС», молекулы которого имеют меньший размер и более активно встраиваются в структуру «вода-глина», блокируют её и упрочняют (гидрофобизируют). Молекулы полимеров адсорбируются на поверхности глины, на которой уже сформирован слой гидрофобизатора, в этом случае создаётся более плотная структура внутренней набивки структуры воды в глине. Крепящее действие кремнийорганической жидкости также усиливается присутствием в её составе кремния, способствующего образованию нерастворимых силикатов на поверхности глин.
