Буровые растворы

     Введение 

     Выбор оптимальной рецептуры бурового раствора для вскрытия продуктивного пласта и управление качеством системы в конкретных геолого – технических условиях представляет собой сложные задачи, и являются одним из важнейших моментов сохранения коллекторских свойств пласта [1]. Современное состояние сырьевой базы характеризуется изменением структуры и качества запасов нефти как на разрабатываемых, так и на вновь открываемых месторождениях [2]. Чаще всего это трудноизвлекаемые залежи с низкопроницаемыми и сложнопостроенными коллекторами. Для получения максимально возможных дебитов нефти необходима тщательная подготовка систем буровых растворов, обеспечивающих решение технологических задач промывки ствола скважины, а также наилучшим образом сохраняющих продуктивные пласты при вскрытии. Буровой раствор является многокомпонентной и многофункциональной системой. Как известно, важнейшими характеристиками раствора являются реологические и фильтрационные свойства. При бурении нефтяных и газовых скважин для регулирования фильтрационных и реологических свойств безглинистых и малоглинистых буровых растворов могут быть использованы полисахариды и другие полимерные соединения. Существует широкий спектр реагентов для бурения, однако выбор реагента в каждом случае определяется геологическими особенностями месторождения, типом бурового раствора и экономической целесообразностью.  
 
 
 
 
 
 
 

1 Буровые растворы на основе полисахаридов 

      Схематически  полисахариды представляют собой совокупность макромолекулярных цепей, образованных антигликозидными циклами различных углеводородных остатков, сцепленных непрочными гликозидными связями, а между цепями ван – дер – ваальсовыми силами, водородными связями или поперечными мостиками [3]. Обилие функциональных групп обусловливает реакционную активность цепей и придает им характер полиэлектролитов. Природа углеводородных, функциональных групп, степень замещения, полимеризации и ветвления, однородность полимера, а также характер связей, конформация цепей и структур определяют коллоидно – химические свойства этих реагентов. Все они различаются по стабилизирующей способности и обладают сравнительно невысокой термической, ферментативной и гидролитической устойчивостью. Из исходных полисахаридов их получают путем деполимеризации и введения достаточного количества функциональных групп с тем, чтобы обеспечить водорастворимость и необходимый уровень физико – химической активности. Таким образом, свойства будущего реагента непосредственно связаны с природой исходного полисахарида.

     Таблица 1 – Реагенты, применяемые для  регулирования фильтрацион-

                         ных и реологических свойств буровых растворов

      Полимеры, использующиеся на сегодняшний день в буровой практике, придают растворам  низкую пластическую вязкость, высокое  динамическое напряжение сдвига, а  также структурные характеристики, обеспечивающие высокие скорости бурения  и эффективную очистку забоя  и ствола скважины от выбуренной породы ввиду особенностей строения макромолекул. В полисахаридах, таких как крахмал (рисунок 1), ксантановая камедь (рисунок 2). Крахмал представляет собой природную смесь полисахаридов (амилоза и амилопектин) с общей формулой (С₆Н₁₀О₅)_n. Крахмал образуется в результате фотосинтеза в листьях растений и откладывается в корневищах, клубнях и зернах[4,5]. Основными их функциональными группами являются неионогенныегидроксильные, карбонильные и альдегидные группы, которые индифферентны к солевой агрессии и повышенной жесткости воды, за счет чего полисахариды сохраняют свои свойства в растворах любой степени минерализации. Кроме того, полисахариды способны к быстрой биологической деструкции, за счет чего обеспечивается возможность разрушения и удаления кольматационного слоя, образующегося в процессе бурения, и практически полное восстановление коллекторских свойств пласта.

     Рисунок – 1 Строение структурных единиц крахмала:

     а) участок амилозы;                             б) участок амилопектина

     Рисунок 2 – Строение элементарного звена  макромолекулы ксантана 

     В свою очередь в молекулах карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) и полиакриламида (ПАА) (рисунок 3) содержится большое количество полярных ионогенных групп, таких как карбоксильные и амидные, которые могут вступать во взаимодействие с катионами металлов, что делает невозможным использование данных полимеров в сильно минерализованных средах. Полимеры особенно чувствительны к воздействию катионов двухвалентных металлов (например, иона кальция), что напрямую связано с химическим строением молекул, а именно наличием и типом функциональных групп, входящих в макромолекулу полимера и их пространственного расположения. Установлено, что в случае применения полимерсолевых растворов на основе КМЦ (раствор NaCl + КМЦ) наблюдается ухудшение гидродинамической связи в системе скважина-пласт. В результате взаимодействия фильтрата с пластовым флюидом (нефть и пластовая вода) и породой коллектора происходит снижение продуктивности нефтесодержащих объектов до 50% [6]. Поэтому ПАА и КМЦ находят применение, в основном, в пресных растворах. Исключение составляет полианионная целлюлоза (ПАЦ), которая также содержит карбоксильные группы, но устойчива в концентрированных растворах солей в виду особенностей строения макромолекул [7]. 

     Рисунок 3 – Строение элементарного звена  частично гидролизованного

                            полиакриламида 

     Таким образом, очевидно, что применение полимеров, имеющих в своем составе большое количество полярных недиссоциирующих на ионы групп, обеспечивает хорошую растворимость и стабильность свойств буровых растворов в широком интервале концентраций солей. Однако поведение полисахаридов в растворах обусловлено не только химической природой молекул полимера. Весьма существенное влияние оказывают надмолекулярные структуры, примеси, присутствующие в продукте, и технология его производства.

     Рассмотрим  влияние содержания электролитов на функциональные свойства ксантановых биополимеров и крахмальных реагентов. В качестве примера в различии свойств полисахаридов одной химической природы протестированы растворы образцов ксантановых полимеров (ксантановый биополимер «Гаммаксан»; пищевая ксантановая камедь, которая нередко используется при бурении) и модифицированных крахмалов («Амилор Р-120» (на основе кукурузного сырья), «Амилор Р-122» (на основе картофельного сырья), нативный крахмал по ГОСТ 7699-78) в пресной и минерализованной водах. В силу своих структурных особенностей полисахаридные реагенты в сочетании с биополимерами или другими подобного типа способны создавать водные полимерные растворы, не содержащие твердой фазы, с широким диапазоном эксплуатационных свойств [8].

     Для создания ионной среды использовались три различные соли: хлористый натрий NaCl, хлористый калий KCl и хлористый кальций CaCl₂. Готовились 0,5%-ные водные растворы ксантановых полимеров и 3%-ные водные растворы модифицированных крахмалов при 20°С. Клейстеризация нативного крахмала проводилась в конкретной дисперсной среде при нагревании суспензии до температуры клейстеризации в течение определенного времени.

     Свойства  полученных растворов приведены  в таблице 2 и 3. 

     Таблица 2 – Изменение свойств растворов  крахмалов в зависимости от

                            минерализации среды

     Из  таблицы 2 видно, что в пресной  среде показатель фильтрации (ПФ) растворов  крахмальных реагентов имеет  достаточно низкое значение и не зависит от типа используемого продукта. В минерализованной же среде величина ПФ существенно ниже для растворов крахмальных реагентов марки «Амилор». Следовательно, преимуществом использования буровых крахмалов марки «Амилор» является постоянство свойств раствора независимо от степени его минерализации.

     На  столь сильные различия в свойствах  модифицированных крахмальных реагентов может оказывать влияние состав исходного сырья, в частности содержание в нем белка и клетчатки. Взаимодействие белковых молекул с полисахаридами крахмала может привести к понижению гидратации гидроксилов ангидроглюкозных единиц, что негативно сказывается на растворимости получаемого продукта и, как следствие, на показатели раствора в целом [9].

     В зависимости от природы сырья  – картофельного, кукурузного или  тапиокового нативного крахмала – и параметров технологического процесса производятся продукты различных марок, обладающие различными свойствами. К примеру, тапиоковый крахмал обладает наибольшей вязкостью и может быть использован для изменения реологических свойств раствора, кукурузный – наименьшей, а картофельный позволяет получить готовый продукт как с высокой, так и с низкой условной вязкостью. Эти факторы также должны быть учтены для наиболее рационального выбора продукта. 
 
 
 
 
 
 
 

     Таблица – 3 Сравнение биополимерного раствора, приготовленного из

                        различных сортов ксантановых биополимеров