Содержание к диссертации
Введение
1 Опыт и результаты реологиеских исследований буровых промывочных жидкостей 8
1.1. Реология буровых промывочных жидкостей 9
1.2. Влияние температуры и давления на реологическое поведение буровых промывочных жидкостей
1.2.1. Анализ исследований влияния температуры на реологические параметры буровых промывочных жидкостей 11
1.2.2. Анализ степени влияния давления на реологические параметры буровых промывочных жидкостей
1.3. Анализ соответствия экспериментальных данных «традиционным» реологическим моделям 32
1.4. Новая универсальная реологическая модель Хавена-Осипова для описания реологического поведения буровых промывочных жидкостей 37
1.5. Методы обработки данных ротационной вискозиметрии 40
1.6. Цели и задачи исследования 42
2 Методика и результаты исследования реологического поведения буровых промывочных жидкостей 43
2.1. Физико-химические свойства компонентов буровых растворов 43
2.2. Методика исследования
2.2.1. Проведение экспериментальных исследований (этапы) 55
2.2.2. Выбор реагентов и их концентраций 56
2.2.3. Реометрия и выбор температурных пределов 58
2.2.4. Аппроксимация опытных данных 61
2.3. Исследование влияния водорастворимых акрилатов и полисахаридов на реологическое поведение малоглинистых и безглинистых систем 62
2.3.1. Исследование влияния температуры на реологическое поведение систем на основе частично-гидролизованного полиакриламида Poly-Plus RD з
2.3.2. Исследование влияния температуры на реологическое поведение систем на основе высоковязкой модификации полианионной целлюлозы PolypacR 68
2.3.3. Исследование влияния температуры на реологическое поведение систем на основе биополимерного реагента Duovis 73
2.4. Реометрические исследования буровых растворов применяемых при бурении скважин в ТПНГП 78
2.4.1. Исследование влияния температуры на реологическое поведение глинистых (бентонитовых) и стабилизированных глинистых систем 78
2.4.2. Исследование влияния температуры на реологическое поведение недиспергирующих систем 88
2.4.3. Исследование влияния температуры на реологическое поведение малоглинистых систем 100
2.4.4. Исследование влияния температуры на реологическое поведение безглинистых систем 112
3 Совершенствование методики выполнения гидравлических расчётов с учётом влияния температуры на реологические свойства промывочной жидкости в циркуляционной системе скважины 119
3.1. Геотермические условия бурения скважин в ТПНГП 120
3.2. Методы определения температуры циркулирующего бурового раствора по стволу скважины 122
3.3. Уточнение гидравлической программы с учётом температурного влияния на реологические свойства буровых промывочных жидкостей 125
3.4. Разработка компьютерной программы для реализации усовершенствованной методики расчёта потерь давления в циркуляционной системе скважины 127
4 Промысловые исследования усовершенствованной методики расчёта потерь давления в циркуляционной системе скважины 129
Основные выводы 139
Библиографический список
- Анализ исследований влияния температуры на реологические параметры буровых промывочных жидкостей
- Проведение экспериментальных исследований (этапы)
- Методы определения температуры циркулирующего бурового раствора по стволу скважины
- Уточнение гидравлической программы с учётом температурного влияния на реологические свойства буровых промывочных жидкостей
Введение к работе
Актуальность работы
Известно, что буровой раствор является одним из важнейших элементов при строительстве скважин, основной задачей которого остаётся очистка забоя и удаление из скважины частиц выбуренной породы. Важную роль при выполнении этой задачи играют реологические свойства. Их поддержание и оптимизация необходимы для: прогнозирования давлений, возникающих в циркуляционной системе скважины при бурении и проведении других технологических операций, оптимизации гидравлических программ с целью увеличения технико-экономических показателей бурения, а так же подсчёта и минимизации затрат энергии на промывку скважин.
Особенно это становится актуально в связи с непрерывным ростом глубин бурения и, как следствие, температур и давлений, которые, оказывают существенное влияние на реологическое поведение буровых промывочных жидкостей. К сожалению, в настоящее время вопрос температурного влияния на реологические свойства промывочной жидкости рассматривается только для высокотемпературных скважин, бурение которых предусматривает, либо применение специальных растворов на водной основе либо использование растворов на нефтяной или синтетической основе.
Между тем практикой бурения установлено, что большое число переменных факторов, в том числе температура, влияющих на реологические параметры буровых растворов, делает их прогнозирование крайне сложной задачей. В этой связи проведение обширных исследований и накопление статистических данных по изменению реологического поведения конкретных систем и рецептур буровых растворов приобретает крайне важное значение.
Известно так же, что большинство современных методик расчёта потерь давления не учитывают температурного влияния на реологические параметры буровых растворов, между тем, даже небольшое изменение температуры может существенно повлиять на величину давлений в циркуляционной системе скважины. Как правило, эти методики завышают фактические
давления, возникающие при промывке. Уточнение методик расчёта потерь давления с учётом температурного фактора позволит на стадии проектирования реализовать полезную мощность насосов на долоте (гидромониторный эффект) или забойном двигателе, что в свою очередь позволит увеличить технико-экономические показатели бурения. Кроме того, увеличение доли строительства скважин сложного пространственного профиля, т.е. сильно искривленных и горизонтальных скважин с большим отходом от вертикали, предъявляет жесткие требования к качеству очистки ствола от выбуренной породы, а значит и прогнозированию реологических свойств систем непосредственно в условиях скважины.
Цель работы
Разработка гидравлической программы промывки с учётом температурного воздействия на реологическое поведение буровых растворов, обеспечивающей повышение эффективности строительства скважин.
Основные задачи исследования
-
Исследование влияния водорастворимых акрилатов и полисахаридов на реологическое поведение малоглинистых и безглинистых буровых промывочных жидкостей при нормальных и повышенных температурах.
-
Определение степени изменения реологических констант малоглинистых и безглинистых буровых растворов под действием температуры.
-
Уточнение методики определения потерь давления в циркуляционной системе скважины с учётом температурного влияния на реологические параметры буровых растворов и разработка компьютерной программы с целью её реализации.
-
Промысловая оценка методики и компьютерной программы расчёта потерь давления в циркуляционной системе скважины.
Научная новизна
1. Установлены температурные границы изменения реологического поведения водорастворимых полисахаридов и акрилатов, и обработанных ими буровых растворов, которые не зависят от содержания бентонитового струк-
турообразователя и составляют 40оС для стабилизированных глинистых растворов и 50оС для малоглинистых и безглинистых систем.
-
Установлено, что обработка хлоридом калия в концентрации до 3% (масс.) существенно изменяет характер реологического поведения водных растворов полимеров, и величину показателя нелинейности и показателя консистентности в диапазоне температуры от 20 до 90оС. При этом показатель нелинейности возрастает в порядке увеличения температуры в 2,25-1,7 и 0,9 раза, а показатель консистентности снижается в 24-16 и 2,75-1,5 раза для акрилатов и эфиров целлюлозы соответственно.
-
Уточнение существующей методики для расчёта потерь давления в циркуляционной системе скважины путём ввода функции зависимости реологических параметров бурового раствора от температуры позволяет снизить уровень погрешности в 2-3 раза, а так же повысить надёжность оптимизации гидромониторной промывки.
4.Определена минимальная глубина эффективного использования предложенной методики и компьютерной программы, при промывке скважин малоглинистыми, безглинистыми и стабилизированными глинистыми растворами, содержащих в своём составе акрилаты и полисахариды.
Основные защищаемые положения
-
Результаты реометрии полимерных реагентов и буровых растворов на их основе в температурном режиме 20-90оС.
-
Методика расчёта потерь давления с учётом температурного фактора и компьютерная программа для её реализации.
-
Результаты сравнительных исследований действующей и предложенной методики, а так же сравнение с фактическими данными.
Практическая значимость
1. Реализована методика подсчёта потерь давления в циркуляционной системе скважины, позволяющая прогнозировать давление на насосах с учётом температурного изменения реологических параметров буровых промывочных жидкостей.
-
Установлена степень изменения реологических параметров буровых растворов в реальных условиях бурения скважин в Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции (ТПНГП), что обеспечит прогнозирование изменений давления и механической скорости бурения.
-
Разработана компьютерная программа «Rheotherm-Hydro», позволяющая с достаточно высокой степенью точности определять потери давления в циркуляционной системе скважины.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались на VIII международной молодёжной научной конференции «Севергеоэкотех 2007»-г. Ухта 2007 г.; научно-технической конференции молодых специалистов ООО «РН-Северная нефть» г.Усинск 2007 г.; VII всероссийской конференции молодых учёных, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России-г. Москва 2007 г.; научно-технической конференции преподавателей и сотрудников. В рамках IV Северного социально-экологического конгресса «Северное измерение глобальных проблем: первые итоги Международного полярного года» г. Ухта 2008 г.
Публикации
По теме диссертации опубликованы 6 печатных работ, в том числе 2 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Объём и структура работы
Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Изложена на 151 листе машинописного текста, содержит 71 рисунок, 30 таблиц и библиографию из 110 наименований.
Неоценимую помощь при выполнении диссертационной работы оказали д.т.н. П.Ф. Осипов, к.т.н. Ю.Л. Логачёв, д.т.н. В.Ф. Буслаев, к.т.н. Н.М. Уляшёва. Так же, автор считает своим долгом выразить признательность всем сотрудникам кафедры бурения УГТУ, и коллективу ЗАО «ЭкоАрктика», С.Н. Гаджиеву и Т.Н. Грековой в частности.
Анализ исследований влияния температуры на реологические параметры буровых промывочных жидкостей
Непрерывный рост потребления углеводородов приводит к закономерному росту глубин разрабатываемых залежей нефти и газа. В связи с этим всё острее встаёт вопрос о влиянии высоких температур и давлений на технологические процессы при проводке скважин. И в первую очередь это касается буровых растворов.
Даже небольшое изменение температуры может оказать существенное влияние на реологические, структурно-механические и фильтрационные характеристики буровых растворов. Зачастую замеры параметров раствора на поверхности при нормальных условиях не отражают их фактических значений в скважине, и некорректная химическая обработка, приемлемая при нормальных температурах, может негативно сказаться на реологических параметрах раствора в скважине и привести к серьёзной аварии. К сожалению, в настоящее время вопрос температурного влияния на реологическое поведение промывочной жидкости рассматривается только для высокотемпературных скважин, бурение которых предусматривает либо применение специальных растворов на водной основе, либо использование растворов на нефтяной или синтетической основе.
Высокие температуры и давления оказывают влияние на реологические параметры по нескольким направлениям [7, 8]:
Физическое влияние: С увеличением температуры снижается вязкость жидкой фазы. С увеличением давления вязкость увеличивается, поскольку увеличивается плотность.
Химическое влияние: Некоторые полимеры, при высоких температурах разрушаются. При температуре выше 94С гидроксиды вступают в реакцию с глинистыми минералами. Гипсовые буровые растворы с высоким содержанием твердой фазы при температуре выше 150С могут затвердевать. Некоторые разжижители и диспергаторы при высоких температурах теряют свою эффективность (например SAPP).
Электрохимическое влияние: Высокие температуры повышают растворимость некоторых солей. Кроме того, повышенные температуры увеличивают ионную активность всех электролитов.
Вследствие большого числа переменных факторов влияющих на реологические свойства буровых растворов под воздействием температуры, предсказать их реологическое поведение крайне сложно. И если для растворов на углеводородной основе такого рода исследования проводятся, то для растворов на водной основе это влияние игнорируется.
В настоящее время при бурении глубоких скважин определённое затруднение представляет непрерывное повышение температуры с увеличением глубины. В ходе бурения в результате резкого ухудшения качества промывочной жидкости, роста либо снижения вязкости и увеличения водоотдачи начинаются обвалы, сужения ствола скважины, затяжки и прихваты инструмента. Все эти факторы, в конечном итоге, приводят к серьёзным авариям, а порой и к перебурке ствола скважины.
Результаты работ многих отечественных и зарубежных исследователей показывают весьма существенное влияние высокой забойной температуры на свойства буровых растворов. В условиях высоких забойных температур обычные растворы, как правило, коагулируют, загустевают, увеличивают водоотдачу [9, 10]. При повышенной температуре возрастает так же способность раствора к химическим реакциям. Так реакция взаимодействия цемента, гипса, соли с раствором, как отмечалось ранее, при повышенных температурах ускоряются.
В настоящее время при бурении нефтяных и газовых скважин применяют различные промывочные жидкости, отличающиеся как по составу, так и по характеру химических реагентов, использующихся для их обработки. Поведение буровых растворов разных типов при высоких температурах сильно отличается. Поэтому влияние температуры на свойства промывочных жидкостей следует рассматривать отдельно для раствора каждого типа [7, 11].
Изучению реологического поведения буровых растворов под воздействием температуры посвящены работы, как отечественных (A.M. Аванесовой [14], В.Д. Бакланова [12], А.И. Булатова [21, 22], М.П. Воларовича [15], Г.Г. Габузо-ва [21, 22], Л.Д. Гурджиняна [17], Г.Я. Дедусенко, Б.И. Есьмана [11], В.И. Исаева [41], Э.Г. Кистера [2], В.В. Крецула, В.И. Крылова [18, 19, 20], Е. Г. Леонова [63], М.И. Липкеса [69], М.Р. Мавлютова [16], А.А. Мадатова, А.С. Стрекова [39], В.Д. Толстого [15], К.А. Царевича, Р.И. Шищенко [12], К.Ф. Шуть [41], Е.А. Яишниковой [13]), так и зарубежных (М.Р. Аниса [24], Баннермана, К.Г. Гроде [23], Девиса, Келлиа, Н. Маковея [8], Д. Дж. Уейнтрайта [26], К.Х. Хил-лера [25], Р. Г. Хьюза [26]) и других учёных.
Исследования влияния температуры на буровые растворы начались ещё в середине 30-х годов прошлого века. В качестве объекта исследования, как правило, выступали естественные глинистые суспензии, основной тип промывочной жидкости при строительстве скважин на тот период. Так К. Царевич, Р. Шищенко и Б. Бакланов приводят данные о зависимости изменения статического напряжения сдвига в интервале температуры от 20 до 80С для двух глинистых растворов из грубодисперсной гжельской глины и бентонита-аскангеля. Они установили, что величина СНС растёт с повышением температуры от 20 до 60С, переходит через максимум, а затем уменьшается. В той же работе приведены кривые изменения пластической вязкости глинистых растворов из аскангеля, пкельской и суруханской глин с повышением температуры от 10 до 80С. Для всех растворов характерно уменьшение пластической вязкости, т.е. закон изменения вязкости естественных глинистых суспензий с повышением температуры подобен таковому для воды.
В работе [13] определялись СНС естественных глинистых растворов при изменении температуры от 20 до 160С и было установлено следующее. Растворы из карачухской глины на пресной воде с увеличением температуры до 120-140С статическое напряжение сдвига растёт, а затем несколько уменьшается. А раствора, приготовленного их той же глины, но на морской воде наблюдается неуклонный рост СНС.
В источнике [14] так же приводятся исследования статического напряжение сдвига глинистых растворов их карачухурской и локбатанской глин на морской воде, но с повышением температуры до 180С. Эти эксперименты подтвердили данные, полученные ранее для раствора на морской воде, и показали, что дальнейшее повышение температуры до 180С вызывает дополнительный необратимый, при охлаждении, рост статического напряжения сдвига.
На рост статического напряжения сдвига естественных глинистых суспензий с повышением температуры указывает и К.Г. Гроде.
Первые данные в отечественной литературе по влиянию температуры на структурную (пластическую) вязкость глинистых суспензий принадлежат М.П. Воларовичу и Д.М. Толстому. Ими было доказано, что при повышении температуры суспензии каолина с 10 до 57С пластическая вязкость снижается. По мнению авторов [15], при исследовании влияния температуры на вязкость необходимо, чтобы диспергирование глины было практически завершено, тогда будет наблюдаться, достаточно закономерное изменение гидравлических констант с ростом температуры.
Совместная работа Р.И. Шищенко и Е.А. Яишниковой по определению пластической вязкости естественных глинистых растворов с увеличением температуры до 160С показала, что и при указанной температуре наблюдается снижение этого показателя.
Уменьшение значения пластической вязкости при повышении температуры отмечают так же в работах [16, 23]. Кроме того, уменьшения вязкости при возрастании температуры по данным Гроде [23] почти пропорционально изменению вязкости дисперсионной среды. Авторы определяли пластическую вязкость растворов из различных глин на пресной и морской воде до и после воздействия температуры. Для некоторых из исследованных растворов наблюдалось снижение пластической вязкости после термостатирования при температуре 180С. Таким образом, установлено, что снижение пластической вязкости при высоких температурах, в отдельных случаях, носит необратимый характер.
Проведение экспериментальных исследований (этапы)
Конформация лат. conformatio -форма, построение, расположение молекул, геометрические формы, которые могут принимать молекулы органических соединений при вращении атомов или групп атомов (заместителей) вокруг простых связей при сохранении неизменными порядка химической связи атомов (химического строения), длины связей и валентных углов. Молекулы, отличающиеся только своими конформа-циями, называются конформерами или поворотными изомерами. Молекулы органических соединений обычно существуют в виде смеси находящихся в равновесии конформеров, среди которых преобладают энергетически наиболее выгодные, т. е. обладающие наименьшей энергией. Исходя из вышесказанного, конформационное состояние молекул сильно влияет на физические свойства полимерных реагентов [78].
По форме макромолекулы полимеры, используемые при бурении скважин можно разделить на три основные группы линейные, разветвлённые и сшитые (структурированные).
Линейные полимеры. Макромолекулы линейных полимеров характеризуются высокой степенью асимметрии. Поэтому отдельные участки вытянутой молекулярной цепи настолько удалены друг от друга, что взаимное влияние становится ничтожно малым. Вследствие этого некоторые участки молекулярной цепи при растворении (когда подвижность и гибкость цепи возрастает) и в процессах деформации полимеров ведут себя как кинетически самостоятельные единицы. Такие участки молекулярной цепи называют сегментами. Величина участка молекулярной цепи, проявляющего кинетическую независимость (сегмента), не является постоянной и зависит от условий, в которых находится полимер (температура и концентрация раствора, природа растворителя, величина и скорость приложения нагрузки при деформации). Как уже упоминалось выше, одной из важнейших особенностей полимера является резкая зависимость стабилизирующих, защитных и реологических свойств от геометрической формы макромолекул. В зависимости от внешних условий они могут по своей форме, приближаться к жесткой палочке, свертываться в спирали или в клубки (глобулы).
Линейные полимеры, отличаются хорошими физико-механическими свойствами: большой прочностью и эластичностью. Гибкость макромолекулы линейных полимеров способствует их хорошему растворению, а способность гибкой макромолекулы изменять форму под влиянием внешних усилий обусловливает высокие эластические свойства. К линейным полимерам относятся такие реагенты как, различные модификации целлюлозы (КМЦ, ПАЦ, ГЭЦ, ОЭЦ), синтетические полимеры на основе полиакриламида и акрилата и др.
Разветвлённые полимеры - это полимеры, которые отличаются от линейных наличием боковых цепей (ответвлений). К ним относятся, прежде всего, крахмалы и биополимеры. Разветвленные полимеры также могут быть переведены в раствор, причем при одинаковом химическом составе и молекулярном весе растворимость разветвленных полимеров выше растворимости линейных полимеров. Прочность разветвленных полимеров и вязкость их растворов зависят от степени и типа разветвления. Полимеры, имеющие относительно небольшое число боковых цепей, очень близки по свойствам к линейным полимерам. Сильноразветвленные полимеры, вследствие значительно меньшей степени асимметрии молекул, образуют растворы пониженной вязкости. К сильно разветвлённым относятся лигносульфонаты, гуматы и т.п.
Разрыв любой связи в макромолекуле полимера приводит к образованию двух кинетически самостоятельных молекул и уменьшению вдвое средней величины молекулярного веса. Такие процессы, например, происходят при механической, термической или химической деструкции полимеров [79, 80].
Сшитые (структурированные) полимеры. Зачастую в практике бурения скважин структурные свойства полимерных систем оказываются не достаточными для обеспечения необходимых технологических свойств. В этой связи получила распространение практика сшивки линейных и разветвлённых полимерных реагентов за счёт комплексообразования при взаимодействии с ионами поливалентных металлов таких как кальций, алюминий, хром и другие, ионы которых обладают большой гидратной ёмкостью.
Известно, что комплексообразование полимера с ионами электролита приводит к изменению конформации макромолекулярного клубка полимера, что сопровождается изменением вязкости водных растворов реагентов. Это связано с тем, что введение в раствор соли приводит к сжатию макромолеку-лярных клубков, а также к уменьшению толщины двойного электрического слоя и гидратной оболочки полимера. При этом происходит укрупнение макромолекул и образование поперечных связей, что обеспечивает системе способность образовывать прочные тиксотропные структуры [69, 81].
В подтверждение вышеизложенного, можно привести результаты исследований [69, 82] влияния ввода солей, вызывающих комплексообразование, в биополимерные растворы на основе реагентов Кет-Х, XCD-полимера и БП-1. Явлением комплексообразования (сшивки) можно объяснить и синергетиче-ский эффект, возникающий при совместной обработке растворов на основе биополимера Duovis реагентом Hibtrol (модифицированным ионом алюминия КМЦ), выражающийся в повышении реологических и структурно механических характеристик данной системы.
Условно все применяемые реагенты при бурении скважин по выполняемым функциям можно разделить на структурообразователи, понизители фильт-ратоотдачи, разжижители-дефлокулянты.
Шарафутдиновым и Р.З.Шарафутдиновой приводится следующие данные о влиянии высокомолекулярных веществ на структуру воды. Каждое высокомолекулярное вещество (полимер) структурирует воду по-своему. Поэтому при совместной обработке различными полимерами действие их на образующуюся стурктуру воды может быть аддитивным, синергетическим и антагонистическим. Таким образом, авторы делают следующий вывод. При растворении высокомолекулярных соединений, которое обеспечивается их гидратацией под действием ненасыщенных электростатических сил, происходит пере 51 распределение содержания между мономерной и полимерной формами воды, с разрушением последней. Исходя из выше изложенного, соединения, способствующие дополнительной полимеризации воды и ее объемному структурированию, будут являться структурообразователями бурового раствора. К таким полимерным соединениям относятся биополимеры, различные производные целлюлозы, и реагенты на основе полиакриламида и полиакрилата различной степени гидролиза, но все данные реагенты должны иметь достаточно большую молекулярную массу.
В отличие от реагентов структурообразователей при растворении реагентов понизителей вязкости происходит смещение соотношения между полимерной и мономерной частями воды в пользу последней, что приводит к ухудшению фиксации водородных связей и делает их более гибкими, тем самым обеспечивая разжижение бурового раствора. Для минерализованных растворов понизителями вязкости будут являться вещества, которые, наоборот, обеспечат полимеризацию воды и нейтрализуют электростатическое взаимодействие частиц коллоидной твёрдой фазы, вызванное добавлением электролита (соли), а так же снизят коэффициент внутреннего трения системы.
Помимо воды, соли, полимеров буровые растворы практически всегда содержат в своём составе некоторое количество коллоидных частиц (исключение составляют безглинистые растворы и рассолы).
Основным глинистым минералом, используемым в буровых растворах, является натриевый монтмориллонит, получивший название бентонит. При вводе бентонитового глинопорошка в воду происходит адсорбция мономеров воды на поверхности глинистых частиц с формированием гидратного слоя. В зависимости от концентрации глинистых частиц и внешних условий в растворе происходи формирование структуры, с ассоциацией глинистых частиц по одному из типов ориентации [7]:
Методы определения температуры циркулирующего бурового раствора по стволу скважины
В то же время происходит практически линейное снижение показателя консистентности от 1,62 до 1,35, с небольшим изменением темпа при температуре свыше 50С. Снижение показателя консистентности, прежде всего, объясняется снижением вязкости дисперсионной среды (воды), в результате увеличения доли свободной воды вследствие дегидратации макромолекул полимера под воздействием температурного фактора, а так же уменьшением сил внутреннего трения.
Добавление соли к базовому раствору приводит к резкому изменению реологических свойств системы. Так происходит увеличение показателя нелинейности в 2,3 раза и 10-ти кратное снижение показателя консистентности. Основываясь на исследованиях, авторы [57, 62] утверждают, что добавка электролита (соли) вызывает уменьшение степени диссоциации функциональных групп и ухудшает растворимость вещества, разрушает связи между атомами и молекулами в главной цепи полимера, снижает активность реагента и даже его приводит к его десорбции. Предполагается так же, что наличие двух и более типов функциональных групп повышает солестойкость полимерного реагента, одновременно снижая его термостойкость. При вводе реагента в воду, вокруг макромолекулы полимера, вследствие гидрофильности его поверхности, формируется гидратная оболочка, а ввод электролита приводит к её сжатию, в результате чего активные группы начинают взаимодействовать между собой. Исходя из этого, изменения реологических констант, по нашему мнению, обусловлены гидрофобизацией поверхности полимера и, как следствие, дегидратацией. Кроме того, исследования показывают, что молекулы анионных полиэлектролитов (к коим относится и Poly-Plus RD) глобулизируются за счёт подавления избытков ионов водорода и ионизации карбоксильных групп. Преобладание карбоксильных групп в макромолекуле исследуемого реагента объясняет низкую солестойкость данного полимера. Изменение формы макромолекул влияет на вязкость раствора полимера. Наибольшую вязкость полимер проявляет, когда макромолекула максимально развёрнута и обладает максимальной гибкостью. В тоже время она проявляет максимальную адсорбционную способность [83].
Образование глобул приводит к образованию ассоциатов, которые при течении взаимодействуют подобно твёрдой фазе, именно это, по нашему мнению, объясняет увеличение показателя нелинейности и динамику изменений показателя консистентности.
По мере нагрева исследуемого образца, происходит постепенное снижение показателя нелинейности. По всей видимости, этому способствует повышение взаимодействия между глобулизированными молекулами полимера, что связано с повышением числа контактов за счёт теплового (броуновского движения), а так же теплового движения звеньев цепи. В силу тех же причин крайне незначительно увеличивается показатель консистентности.
Добавление в базовый раствор суспензии бентонита приводит к снижению общей вязкости системы. Происходит увеличение показателя нелинейности и уменьшение показателя консистентности. Это связано с процессом фло-куляции частиц бентонита, которые связываются между собой молекулярными пачками и нитями полимера, образуют сетчатую структуру. Но вследствие вы 68 сокого содержания полимерного реагента, по сравнению с содержанием коллоидных частиц минерального происхождения, происходит стабилизация системы с образованием достаточно толстых оболочек полимера вокруг частиц бентонита с внедрение полимера во внутреннюю структуру частиц [83].
Адсорбция большого количества полимера на частичках бентонита снижает содержание полимера в объёме раствора и, как следствие вязкости системы. Кроме того, неодинаковость прочности и гибкости связей внутри флокул и между ними приводит к отмеченному изменению реологических констант.
Характер изменения реологических параметров в процессе нагрева в целом сходен с поведением базового раствора в силу выше описанных причин. И лишь при температуре 90С происходит некоторое уменьшение показателя нелинейности и увеличение показателя консистентное. Это можно связать с началом термической коагуляцией частиц бентонита в результате уменьшения стабилизирующего действия адсорбированных на поверхности частичек твёрдой фазы макромолекул полимера и снижением толщины гидратной оболочки.
Исследование влияния температуры на реологическое поведение систем на основе высоковязкой модификации полианионной целлюлозы Polypac R Реагент Polypac R относится к высоковязкой модификации полианионной целлюлозы (рис. 2.11). Он предназначен для регулирования уровня фильтрато-отдачи и вязкости буровых растворов на водной основе. Термостойкость реагента составляет 150С. Степень замещения 0,9-1, тип функциональной группы анионная (группы - СН2СОО" карбоксиметильная.). Рабочая концентрация со-ставляет 0,7 — 8,5 кг/м , в зависимости от минерализации и требуемых технологических параметров бурового раствора.
Для исследования была выбрана рабочая концентрация реагента равная 4 кг/м3. Результаты термостатирования данных образцов приведены на рис. 2.12-2.14 и в табл. 2.3. На рис.2.15 и 2.16 показана динамика изменения реологических параметров в зависимости от температуры и различных добавок. Из пред 69 ставленного рисунка 2.15 следует, что при нагреве базового раствора полимера показатель нелинейности до температуры 50С практически не изменяется, а при дальнейшем увеличении температуры снижается с 0,71 до 0,61. Такое изменение показателя нелинейности можно объяснить следующим. Как уже отмечалось выше, для полисахаридных реагентов, характерна гликозидная связь в макромолекуле. Под воздействием температуры происходит уменьшение прочности данной связи, и как следствие увеличение подвижности звеньев цепи. Это в свою очередь увеличивает, число контактов между макромолекулами и приводит к увеличению псевдопластичности системы.
Уточнение гидравлической программы с учётом температурного влияния на реологические свойства буровых промывочных жидкостей
Таким образом, добавление сухого бентонитового порошка в исследуемую систему, снижает неньютоновские свойства жидкости, вследствие того, что ведёт себя подобно инертной твёрдой фазе. При этом нагревание системы не приводит к явному изменению реологических констант, которое могло наблюдаться в том случае, если бы глинопорошок начал активно диспергировать, вследствие увеличения температуры.
На основе проведённых исследований полимермалоглинистых систем буровых растворов можно сделать следующие выводы:
1. Соотношение биополимера и полианионной целлюлозы существенно меняет реологическое поведение систем в условиях повышенных температур. Так при содержании биополимера меньше 0,2%, а полианионной целлюлозы свыше 4%, основное влияние будет оказывать целлюлоза. При концентрации 0,2% биополимера и выше определяющее действие на реологические параметры будет оказывать биополимер.
2. Увеличение минерализации и содержания инертной твёрдой фазы оказывают одинаковое воздействие на показатель нелинейности.
3. Изменения показателя консистентности при увеличении минерализации носит «степенной» характер. В то время как при увеличении содержания инертной твёрдой фазы, показатель К изменяется линейно.
Повышенные требования к качественному вскрытию продуктивных отложений привели к тому, что в современной практике бурения для первичного вскрытия пластов применяются буровые растворы, как правило, позволяющие оказывать минимальное воздействие на коллекторские свойства пласта. Уменьшить повреждение пласта можно следующими способами: уменьшить содержание коллоидной твёрдой фазы до минимума или полностью исключить её из системы бурового раствора; использовать кольматанты для формирования плотной фильтрационной корки с целью минимизации зоны проникновения фильтрата бурового раствора; применять буровой раствор фильтрат, которого должен оказывать минимальное воздействие на породу продуктивного пласта;
Полностью исключить повреждения пласта можно лишь при использовании буровых растворов на углеводородной или синтетической основе. Но данные системы являются довольно дорогими по сравнению с растворами на водной основе. Вскрытие пластов на депрессии требует применения специального бурового оборудования, в частности вращающегося превентора, а так же высокой квалификации персонала буровой бригады. Всё это значительно увеличивает стоимость строительства скважин. Кроме того, некоторые технологические операции требуют временного глушения скважины, в результате чего, так же происходит частичное загрязнение продуктивного пласта.
Поэтому основной альтернативой, вполне удовлетворяющей всем перечисленным требованиям, на сегодняшний день является использование безглинистых ингибирующих биополимерных буровых растворов на водной основе.
Данные буровые растворы обладают высокими реологическими и хорошими смазочными свойствами, за счёт своей сильно разветвленной структуры биополимера и сшивания частиц твёрдой фазы и шлама, а так же наличия крахмала или высоковязкой полианионной целлюлозы, которые так же загущают дисперсионную середу и формируют гибкую пространственную структуру. В качестве ингибитора глинистых минералов может быть использованы различные органические и неорганические ингибиторы. Наибольшее распространение получил хлорид калия, благодаря широкой доступности, относительно низкой стоимости и т.д. В качестве кольматанта для формирования плотной фильтра 114 ционной корки низкой проницаемости может использоваться карбонат кальция или гранулированная соль. Предпочтительней использование карбоната кальция по следующим причинам: широкая доступность; в любой требуемый фракционный состав; кислоторастворимость; низкая липкость корки и низкое давление отрыва фильтрационной корки от стенки скважины; низкая стоимость.
Наиболее известными и часто применяющимися для вскрытия пластов системами являются следующие буровые растворы.
Биополимерный безглинистый буровой раствор Flo-Pro, предлагаемый и разработанный компанией M-I SWACO [88]. Данная система содержит в своём составе биополимер Flo-Vis Plus, очищенный модифицированный крахмал Florol, карбонат кальция в качестве кольматанта, хлорид калия для ингибирова-ния и оксид магния для регулирования щёлочности раствора. Система может дополнительно содержать органические ингибиторы.
Буровой раствор ANCO-2000 компании ANCOR Drilling Fluids-ADF [89]. Эта система содержит в своём составе следующие компоненты: биополимер ANCO-VTS, полианионную целлюлозу РАС-SEAL, частично гидролизованный полиакриламид ANCOIN, полипропиленгликоль ANCO-208, хлорид калия.
В практике фирмы BAROID [87] часто применяются безглинистые растворы типа BARADREL-N на основе биополимера N-VIS PLUS и крахмала N-DRIL НТ PLUS. В качестве ингибирующей добавки, как и у большинства современных растворов, используется хлорид калия, но может применяться хлорид натрия и бромиды натрия и кальция, а для утяжеления карбонат кальция. Необходимая щелочность поддерживается добавками BARABUF.
