Катионный буровой раствор с повышенными ингибирующими и крепящими свойствами

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 буровой раствор, содержащий, мас.%: глинопорошок 3,3-5,3; ВПК-402 - 1,4-2,4; жидкий парафин С₁₀-C₁₆ - 5,3-8,8; пеногаситель МАС-200 - 0,06-0,2; воду - остальное (патент РФ на изобретение №2492207 С1, кл. С09К 8/18, опубл. 10.09.2013). К недостаткам известного состава относятся низкие крепящие свойства бурового раствора и большой расход ВПК-402.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является 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). Известный буровой раствор, содержащий катионный полимер, обладает 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 скважины, что является недостатком известного раствора.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, - повышение крепящих свойств раствора и сохранение устойчивости (целостности) стенок ствола скважины при одновременном снижении расхода ВПК-402. Для предлагаемого изобретения использование полиэлектролита ВПК-402 является одним из примеров использования упомянутого полиэлектролита в качестве стабилизатора - понизителя фильтрации, ингибитора глин. Возможно применение в растворах полидадмахов различных молекулярных масс и производителей.

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

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что катионный буровой раствор, включающий воду, глинопорошок и полидадмах, дополнительно содержит катионный полимер Росфлок КФ и водорастворимый неионный эфир целлюлозы, 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.

В качестве неионного водорастворимого эфира целлюлозы используют оксиэтилцеллюлозу (ОЭЦ), или гидраэтилцеллюлозу (ГЭЦ), или натросол различных марок. Неионный водорастворимый эфир целлюлозы представляет собой порошок от белого до кремового цвета без запаха, полностью растворимый в холодной воде.

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, фильтрпрессы, флотаторы). Росфлок КФ представляет собой эмульсию от белого до бежевого цвета. Росфлок КФ 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.

Повышение крепящих свойств раствора обеспечивает неионный эфир целлюлозы за счет увеличения водородных сеток между частицами неустойчивой породы. Дополнительное повышение крепящих свойств раствора производится путем ввода углеводородных компонентов, обеспечивающих заполнения ячеек водородных сеток.

Поддержание и/или повышение ингибирующих свойств раствора осуществляют путем ввода известных электролитов: КСl, NaCl, СаСl₂, ацетата натрия, формиата натрия.

Перевод на соленасыщеный (высокоминерализованный) катионный раствор производится вводом технической соли до насыщения.

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

Для проведения исследований крепящих свойств буровых растворов готовили образцы-таблетки (см. фиг. а-г) цилиндрической формы из гидратационноактивных 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 бентонитовый глинопорошок марки ПБМВ, который выпускается в соответствии с ТУ 2164-004-0013836-2006 «Глинопорошок», а в качестве песка - фракции размером до 1 мм. Образцы гидратационноактивных глин в среде раствора выдерживали в течение 3 суток.

Изобретение поясняется с помощью таблиц 1-2 и фиг. а-г. В Таблице 1 приведены результаты исследований по влиянию неионного эфира целлюлозы на крепящие свойства раствора, фактически в таблице 1 приведены сведения об устойчивости образца гидратационноактивной монтмориллонитовой глины с содержанием 50% песка в среде бурового раствора, т.е. сохранение целостности образца глины с содержанием 50% песка. Технологические показатели буровых растворов приведены в Таблице 2 с учетом дополнительного включения в растворы (табл. 2, пп. 1-8) неорганических ингибиторов 3% КСl, 3% NaCl и 1% СаСl₂.

Результаты исследований показали, что при концентрации неионного эфира целлюлозы менее 0,2% происходит разрушение целостности образцов.

Из таблицы 1 видно, что при содержании Полидадмаха, Росфлок КФ и неионного эфира целлюлозы ниже 1,05%, 0,5% и 0,2% соответственно происходит разрушение образца (табл. 1, п. 3). Результаты исследований, фиг. а-г, позволяют сделать вывод о том, что предлагаемый катионный буровой раствор обеспечивает сохранение целостности образцов.

Увеличение содержания полидадмаха, Росфлок КФ и неионного эфира целлюлозы более 2,1%, 2,0% и 0,5% соответственно неэффективно (табл. 2, п. 8), так как приводит к перерасходу реагентов без снижения показателя фильтрации при одновременном ухудшении структурно-реологических показателей.

В таблицах 1-2 приняты следующие обозначения и сокращения: 3% ГР - 3%-ный глинистый раствор из глинопорошка ПБМВ; П-х - полидадмах, в экспериментах использовался полиэлектролит ВПК-402 - катионный полимер, товарный продукт выпускается в виде 35%-ной концентрации, 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 минут 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 2 следует, что использование неионного эфира целлюлозы в сочетании с полидадмахом и Росфлок КФ позволяет существенно снизить расход полидадмаха, обеспечивает управление показателем фильтрации, реологическими свойствами и сохраняет устойчивость глинистых пород.

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

Данный буровой раствор готовят следующим образом. Сначала перемешивают воду с глинопорошком до его распускания, затем в глинистую суспензию последовательно добавляют полидадмах, Росфлок КФ и неионный эфир целлюлозы, и при необходимости неорганические ингибиторы, углеводороды и утяжелитель. Термостойкость раствора определяется термостойкостью неионного эфира целлюлозы и составляет 120-140°С. Низкая термостойкость бурового раствора ограничивает его применение в условиях воздействия высоких температур.