Стабилизация буровых растворов в условиях повышенных температур и минерализации

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3

1.  Буровые растворы в условиях повышенных температур

и минерализации  4

2. Стабилизация буровых растворов 8

3. Реагенты 10

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 13

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 14

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

В строительстве  скважин на нефть и газ значительную роль играет технология буровых растворов. В процессе строительства скважин буровые растворы должны обеспечивать безопасность и безаварийность ведения работ при высокой скорости и бурения и качественном вскрытии продуктивного пласта.

Параметры раствора изменяются под действием  температуры, давления, пластовой воды и частиц выбуренной породы. Чтобы  поддержать параметры раствора на должном  уровне, в раствор добавляют химические реагенты.

Обработка химическими реагентами проводится для обеспечения тех или иных качественных показателей, но основное ее назначение — стабилизация бурового раствора как дисперсной системы либо изменение структурно-механических свойств этой системы. Эти две задачи взаимосвязаны.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Буровые растворы в условиях повышенных температур и минерализации

 

Буровые растворы используются в самых разнообразных  горно-геологических условиях, при  этом на их физико-механические свойства оказывают влияния порознь, или  совместно температура, давление, электролиты, стабильность, контракция, скорости сдвига, режим течения и др. Большинство перечисленных факторов при аномальных и близких к ним значениях приводят к отрицательным изменениям буровых растворов.

Температура, достигающая на забое от +5С до 250 С и более, создает наибольшие проблемы при регулировании свойств  буровых растворов, при этом в  циркулирующем растворе на устье  анна почти всегда меньше 45 5% , чем на забое, за счет отдачи тепла стенкам скважины. Но на глубине около 3000 м температура раствора на забое примерно одинакова при циркуляции, при ее отсутствии и спуско-подъемных операциях, за исключением аномальных зон и вечной мерзлоты. Снижение температуры происходит также при увеличении расхода в циркуляции и диаметра бурильных труб. Во всех случаях температура РУО меньше, чем в растворах на водной основе, причем при ее повышении вязкость снижается, а СНС возрастает. Кроме того, при повышении температуры:

• понижается вязкость дисперсионной среды, что приводит к обратимому снижению пластической вязкости;
• уменьшается толщина сольватной оболочки гидратированных частиц, что облегчает их коагуляцию и флокуляцию и приводит к обратимому повышению динамического напряжения сдвига (ДНС), а при высоких температурах – к необратимым структурным изменениям;
• ослабляются связи между агрегированными чешуйками в результате интенсивного броуновского движения и роста числа контактов, при этом увеличивается степень диспергирования с необратимым повышением структурно-механических свойств;
• происходит термоокислительная деструкция химреагентов, часто до необратимого состояния, в связи с чем резко повышается фильтрация;
• при температуре 95С все гидрооксиды реагируют с глинистыми минералами, особенно при высокой щелочности м содержании твердой фазы. Так, например, добавка извести в глинистый раствор при температуре 120С и более, приводит к образованию затвердевших гидратированных алюмосиликатов;
• усиливается ионная активность любого электролита и растворимость солей с нарушением ионного равновесия, что приводит к увеличению коагуляции, иммобилизации воды, разрушению глинистой корки и росту фильтрации.

Повышенное  давление способствует увеличению плотности  бурового раствора и, как следствие, снижению скоростей бурения, увеличению вязкости фильтрата в РУО и  снижению фильтрационных потерь, а  на скорость фильтрации влияет незначительно.

Очень большое  влияние на свойства раствора оказывают  различные соли. Так, при попадании  в раствор одновалентных солей  ионы хлора увеличивают отрицательный  заряд дисперсионной среды, а  ионы натрия положительный заряд, что  приводит к уменьшению отрицательного заряда частиц и сил отталкивания между ними и, как следствие, к  коагуляции. Такая система не в  состоянии образовать непроницаемую  глинистую корку, поэтому резко  возрастает фильтрация. Добавка хлоридов и других солей снижает рН ввиду  замещения ионов водорода обменного  комплекса глин ионами натрия. В 1%-ном растворе NaCl бентонит гидратируется удовлетворительно, в 5%-ном – незначительно, а в 15%-ном и выше – бентонит негидратируется и выпадает в осадок. Механизм влияния поливалентных солей аналогичен выше описанному, но значительно сильнее. Все соли способствуют интенсивной коррозии оборудования, особенно при повышенной температуре.

Для поддержания  свойств бурового раствора в большинстве случаев для бурения используют химически обработанные промывочные жидкости. Обработка химическими реагентами проводится для обеспечения тех или иных качественных показателей, но основное ее назначение — стабилизация бурового раствора как дисперсной системы либо изменение структурно-механических свойств этой системы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Стабилизация буровых растворов

 

Под стабилизацией  бурового раствора понимается приведение его в устойчивое состояние. Сущность процесса стабилизации — предотвращение укрупнения (агрегирования) твердой фазы за счет гидрофильности частиц, адсорбционной защитной пленки и соответствующего заряда оболочек.

Регулировать  свойства можно либо изменением концентрации и дисперсности твердой фазы, либо обработкой специальными химическими  реагентами, либо при одновременном  использовании этих способов. Прежде чем вводить дополнительное количество или новый компонент дисперсной фазы (либо химреагент), следует удалить из промывочной жидкости излишнюю твердую фазу, в том числе тонкодисперсную, сверх того количества, которое необходимо для сохранения стабильности системы, удержания тяжелых частиц во взвешенном состоянии при остановках циркуляции и формирования малопроницаемой фильтрационной корки в стенках скважины. Дополнительные компоненты необходимо вводить в циркулирующую жидкость равномерно в течение одного или нескольких полных циклов циркуляции и лишь после того, как она прошла через механизмы очистной системы.

Обработка химическими реагентами проводится для обеспечения тех или иных качественных показателей, но основное ее назначение — стабилизация бурового раствора.

Образование гидратных оболочек и увеличение их размеров при об-

работке бурового раствора химическими реагентами приводит к уменьшению содержания свободной воды и соответственно к увеличению количества связанной воды.

Адсорбционные защитные пленки на поверхности частиц являются структурно-механическим барьером, препятствующим их агрегированию. Как  правило, они отличаются высокой  гидрофильностью.

Процесс стабилизации обычно сопровождается пептизацией  раствора, т.е. разъединением агрегатов  частичек твердой фазы на более мелкие, что повышает плотность и прочность  фильтрационной корки. Стабилизация и  пептизация бурового раствора обеспечивают снижение водоотдачи.

Повышение количества связанной воды, увеличение числа дисперсных частиц в твердой  фазе несколько повышают вязкость и  СНС.

Регулирование структурно-механических свойств промывочных  жидкостей может быть направлено как на повышение их вязкости и предельного статического напряжения сдвига, так и на уменьшение этих показателей.

При обработке  химическими реагентами для стабилизации буровых растворов избыточное количество реагентов может быть причиной чрезмерного увеличения толщины гидратных оболочек, что вследствие резкого уменьшения сил взаимного притяжения приводит к падению прочности структуры и ее нарушению, т.е. к коагуляции.

Реагенты, применяемые для обработки буровых  растворов, по характеру действия и назначению можно разделить на две группы: электролиты и защитные высокомолекулярные вещества. Кроме того, для регулирования свойств буровых растворов используются добавки, которые делятся на поверхностно-активные вещества, снижающие поверхностное натяжение на границе с газом и нефтью; пеногасители; утяжелители и смазочные добавки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Реагенты

 

Химические  реагенты условно делят на три  группы:

- реагенты-структурообразователи;

- реагенты-стабилизаторы;

- реагенты специального назначения.

 

Реагенты-стабилизаторы предназначены в основном для снижения фильтрации и вязкости раствора. Это органические соединения, обладающие высокой гидрофильностью и растворимостью в воде; органические соединения с меньшей молекулярной массой эффективнее снижают вязкость, а с большей - фильтрацию буровых растворов. Наибольшее распространение получили реагенты-стабилизаторы на основе:

- целлюлозы (КМЦ, ОЭЦ, карбаминол, карбофен);

- лигносульфонатов (ССБ, КССБ, окзил, ФХЛС);

- лигнина (нитролигнин, игетан);

- полифенолов (ПФЛХ);

- акриловых полимеров (гипан, ПАА, К- 4, метас);

- биополимеров (декстран, ХС);

- натриевых и калиевых солей гуминовых кислот (УЩР, ТЩР);

- крахмалов (технический и модифицированный крахмал).

 

Реагенты-структурообразователи предназначены для регулирования тиксотропных свойств буровых растворов.

Наиболее  распространенными являются:

- поваренная соль (для усиления структурно-механических свойств растворов из натриевых глин. Вводят ее около (0,1-0,3%);

- жидкое стекло (для повышения структурно-механических свойств буровых растворов с небольшим содержанием твердой фазы. Концентрация в растворе составляет 0,5-1%. При разбуривании аргиллитов, сыпучих глинистых пород жидкое стекло в больших концентрациях способствует их упрочнению);

- гашеная известь (повышает прочность структуры большинства глинистых растворов, а растворы, содержащие ССБ и ее модификации, разжижаются. Известковая обработка частично предупреждает набухание глин, обвалы пород стенок скважины).

 

К реагентам специального назначения относятся:

- реагенты, связывающие ионы кальция (кальцинированная сода, триполифосфат и гексамета-фосфат натрия);

- реагенты, поставляющие в раствор ионы кальция и калия (хлористый калий, гидроокись кальция (гашеная известь), хлористый кальций, гипс). Растворы, содержащие кальций или калий в растворенном виде, способствуют уменьшению обвалов слабосвязанных глинистых пород;

- регуляторы щелочности, которые добавляют в раствор, чтобы он имел определенную щелочность (обычно рН = 9-11). Для снижения щелочности применяют бурый уголь или ССБ;

- реагенты-пеногасители (сивушное масло, синтетические высшие жирные спирты, соапсток, животный технический жир, резиновая или полиэтиленовая крошка) вводят в раствор, когда недопустимо пенообразование;

- реагенты, повышающие термостойкость растворов (хроматы и бихроматы щелочных металлов, жидкое стекло);

- реагенты, нейтрализующие сероводород (медный или железный купорос, хлорное железо, каустическая сода и др.);

- реагенты-флокулянты (полиакриламид ПАА, гидрофобные кремнийорганические жидкости ГКЖ-10, ГКЖ-11) для удаления из раствора излишней твердой фазы;

- реагенты-утяжелители (барит, гематит, магнетит, шлаки медных и свинцовых руд), применяемые для повышения плотности буровых растворов. Утяжелители используются многократно.

Первично  использованные утяжелители подают в специальную установку, где  под действием центробежных сил  происходит отделение утяжелителя  из раствора.

 

Очень популярны  сегодня полимеры. В большинстве случаев такие смеси состоят из высокопродуктивных натриевых бентонитов, куда входят также различные добавки.

Полимер для стабилизации буровых скважин имеет много достоинств и преимуществ, основные из которых следующие:

- их применение эффективно даже при малых концентрациях. Они могут применяться для осуществления контроля фильтрации и для улучшения вязкости буровых смесей;

- данные полимеры устойчивы к бактериальному воздействию, их применение не требуют использования консервантов и биоцидов;

- они спокойно функционируют в любом типе воды, с любым уровнем рН;

- их применение возможно практически в любом типе бурового раствора, смешанных на водной основе. Их можно использовать даже в низкоколлоидных недисперсионных буровых смесях и в утяжеленных растворах, имеющих высокую плотность;

- полимеры совместимы с любыми буровыми добавками;

- они абсолютно безопасны в экологическом плане.

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Рост  технологических показателей глубокого  бурения на нефть и газ во многом зависит от организации технологии промывки скважин, состава применяемых  буровых растворов и их технологических  свойств. Буровые растворы должны выполнять ряд требований:

- выполнять  возложенные функции;

- не оказывать  вредного влияния на бурильный  инструмент и забойные двигатели  (коррозия, абразивный износ и  т.д.);

- легко  прокачиваться и очищаться от  шлама и газа;

- быть  безопасными для обслуживающего  персонала и окружающей среды;

- быть  удобными для приготовления и  очистки;

-быть  доступными, недорогими, допускать  возможность многократного использования.

Необходимость регулирования в процессе бурения  свойств промывочной жидкости может  быть вызвана рядом причин: изменением с глубиной состава горных пород  и насыщающих их жидкостей, коэффициентов аномальности пластовых давлений или индексов давлений поглощения; ростом температуры  и другими неблагоприятными факторами.

Для обеспечения  качественных показателей бурового раствора проводится обработка химическими  реагентами, которые предназначены  для снижения фильтрации буровых растворов и стабилизации их технологических параметров.