Катионный буровой раствор

Изобретение относится к буровым растворам на водной основе и может найти применение при бурении нефтяных и газовых скважин, преимущественно при бурении неустойчивых глинистых пород в терригенных и солевых отложениях.

Известен катионно-ингибирующий буровой раствор, который содержит, мас.%: глинопорошок 5-8; полиэлектролит ВПК-402 7-15; воду - остальное (Патент РФ на изобретение №2492208 С2, кл. С09К 8/24, опубл. 10.09.2013). Недостаток известного состава заключается в низких крепящих свойствах бурового раствора и большом расходе ВПК-402.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является буровой раствор, включающий воду, глинопорошок и ВПК-402, в который в качестве вспомогательного понизителя фильтрации добавлен крахмал. Раствор содержит, мас.%: глинопорошок 5-8; ВПК-402 3-5, крахмал 0,5, воду - остальное (Заявка на изобретение №2013146564 А, кл. С09К 8/24, опубл. 27.04.2015). Известный состав также обладает невысокими крепящими свойствами при большом расходе ВПК-402.

Все буровые растворы с содержанием катионных полимеров обладают высокими ингибирующими свойствами, что позволяет снизить наработку раствора при проходке интервалов набухающих глин, однако из-за низких крепящих свойств существует вероятность возникновения потери целостности глинистых пород на стенках ствола скважины.

Задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в создании бурового раствора с заданными параметрами, в котором снижен расход полиэлектролита.

Технический результат, на достижение которого направлено данное изобретение, - повышение крепящих свойств раствора и сохранение устойчивости (целостности) стенок ствола скважины при одновременном снижении расхода понизителя фильтрации, ингибитора глин, например ВПК-402.

Данный технический результат достигается за счет того, что в состав бурового раствора, включающий воду, глинопорошок и полидадмах, для повышения крепящих свойств в растворе используют крахмал или декстрин, а в качестве дополнительного структурообразователя раствор содержит катионный полимер Росфлок КФ при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Для стабилизации неустойчивых глинистых пород традиционно используют ингибирующие буровые растворы. Ингибирующие буровые растворы эффективны в набухающих глинах, однако при проходке интервалов глин с содержанием песков или неустойчивых ненабухающих глинистых пород - аргиллитов ингибирующих свойств раствора недостаточно для стабилизации стенок ствола скважин. Стабилизация ствола скважины достигается повышением крепящих свойств раствора путем увеличения сеток водородных связей и их заполнения гидрофобными компонентами.

Отметим, что в качестве стабилизатора - понизителя фильтрации, ингибитора глин в растворе применяются полидадмахи различных молекулярных масс и производителей. Полидадмах представляет собой катионный полимер линейно-циклической структуры, получаемый путем радикальной полимеризации мономера диметилдиаллиламмонийхлорида, который, в свою очередь, изготавливается из аллилхлорида и диметиламина нагреванием в щелочной среде. Структурная формула ВПК-402 представлена из повторяющихся мономерных звеньев

Полидадмахи выпускаются в виде однородной по консистенции жидкости, без посторонних включений, от бесцветного до желтого цвета различной концентрации или в сухом порошкообразном виде. Молекулярная масса полидадмахов колеблется в широком диапазоне и в среднем составляет примерно 3⋅10⁵. В товарном продукте молекулярная масса ВПК-402 может изменяться в пределах от 10⁴ до 10⁶ и более, полидадмахи по параметрам токсичности относятся к 4 классу опасности - малоопасным химическим веществам по ГОСТ 12.1.007-76. Срок хранения полидадмахов для буровых растворов практически не ограничен.

Росфлок КФ - высокомолекулярный полиакриламид со степенью катионности 50-95%, эффективный эмульсионный катионный флокулянт, применяемый для очистки буровых растворов любых систем и оборотной воды от минералоорганических составляющих и для обезвоживания осадка хозяйственно-бытовых стоков на всех типах оборудования (центрифуги, фильтр-прессы, флотаторы). Росфлок КФ представляет собой эмульсию от белого до бежевого цвета, которая по параметрам токсичности относится к 4 классу опасности - малоопасным химическим веществам по ГОСТ 12.1.007-76. Выпускается Росфлок КФ по ТУ 2458-006-22361394-2004 Волжским заводом ООО НПП «КФ». Срок хранения Росфлок КФ для буровых растворов практически не ограничен.

За счет увеличения водородных сеток между частицами неустойчивой породы крахмал или декстрин, представляющий собой полисахарид, получаемый термической обработкой картофельного или кукурузного крахмала, обеспечивают повышение крепящих свойств раствора. Дополнительное повышение крепящих свойств раствора производится путем ввода углеводородных компонентов, обеспечивающих заполнение ячеек водородных сеток.

Поддержание и/или повышение ингибирующих свойств раствора осуществляют путем ввода известных электролитов: KCl, NaCl, CaCl₂, ацетата или формиата натрия.

При необходимости плотность бурового раствора повышают карбонатными утяжелителями, такими как мел, мраморная крошка, доломит или сидерит, а также баритовым концентратом и галенитом.

Результаты проведенных экспериментов подтверждаются фотоснимками, поясняющими влияние различных составов буровых растворов на устойчивость сланцев (см. фиг. а-е), и сведениями, приведенными в таблицах 1 и 2. В Таблице 1 приведены результаты исследований по влиянию крахмала и декстрина на крепящие свойства раствора, т.е. сохранение целостности образца глины с содержанием 50% песка в среде бурового раствора. При концентрации крахмала или декстрина менее 0,5% происходит разрушение целостности образцов. Технологические показатели буровых растворов приведены в Таблице 2.

Для проведения исследований крепящих свойств буровых растворов готовили образцы-таблетки (см. фиг. а-е) цилиндрической формы из гидратационно-активных глин с содержанием 50% песка с диаметром сечения 22 мм и высотой 12 мм с заданным давлением на гидравлическом прессе. В качестве объекта, имитирующего набухающую глину, использовали немодифицированный глинопорошок марки ПБМВ, который выпускается в соответствии с ТУ 2164-004-0013836-2006 «Глинопорошок», а в качестве песка - фракции размером до 1 мм. Образцы гидратационно-активных глин в среде раствора выдерживали в течение 3 суток.

В таблицах 1 и 2 приняты следующие обозначения и сокращения: ГР - глинопорошок марки ПБМВ; П-х - полидадмах, КФ - Росфлок КФ; ПФ - показатель фильтрации за 30 мин; η_пл - пластическая вязкость; τ₀ - динамическое напряжение сдвига (ДНС); СНС1/10 - статическое напряжение сдвига за 1 и 10 мин соответственно. СНС характеризует в буровых растворах статическое напряжение сдвига при остановке циркуляции, которое не позволяет выбуренной породе (шламу) выпадать из раствора; ДНС - динамическое напряжение сдвига - параметр, отвечающий за качество выноса выбуренной породы.

Из Таблицы 1 следует, что при содержании полидадмаха ниже 1,05%, Росфлок КФ ниже 0,5% и крахмала (или декстрина) ниже 0,5% происходит разрушение образца (табл. 1, п. 3).

Увеличение содержания полидадмаха, Росфлок КФ и крахмала (или декстрина) более 2,1%, 2,0% и 3,0% соответственно неэффективно (табл. 2, п. 8), так как приводит к перерасходу реагентов без снижения показателя фильтрации при одновременном ухудшении структурно-реологических показателей.

Из Таблицы 2 следует, что использование крахмала в сочетании с полидадмахом и Росфлок КФ обеспечивает управление показателем фильтрации, реологических свойств и сохраняет устойчивость глинистых пород.

Таким образом, оптимальное соотношение компонентов в предлагаемом растворе следующее, мас.%:

Данный буровой раствор можно приготовить следующим образом. Сначала перемешивают воду с глинопорошком до его распускания, затем в глинистую суспензию последовательно добавляют полидадмах, Росфлок КФ и крахмал (или декстрин) и при необходимости неорганические ингибиторы, такие как 3% KCl, 3% NaCl или 1% CaCl₂. углеводороды и утяжелитель. Термостойкость бурового раствора определяется термостойкостью крахмала или декстрина и составляет 110 и 120°С соответственно. Низкая термостойкость предлагаемого раствора ограничивает его применение в условиях воздействия высоких температур.