Утяжеленный минерализованный безглинистый буровой раствор

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, в частности к буровым растворам, применяемым при бурении в условиях, характеризующихся высокими забойными температурами и аномально высокими пластовыми давлениями.

Для вскрытия пластов с АВПД необходимо использование утяжеленных буровых растворов, сохраняющих оптимальные структурно-реологические свойства при высоких забойных температурах.

Известен безглинистый буровой раствор для вскрытия продуктивных горизонтов, содержащий, мас.%: крахмал - 1,0-1,5, биополимер - 0,2-0,3, карбонатный утяжелитель - 5-10, полигликоль 3-5, гидрофобизирующее поверхностно-активное вещество ПКД-515 - 1,5-2,0, смазочную добавку ДСБ-4ТТ [RU №2179568, С09K 7/02, опубл. 20.01.2002]. Известный раствор обладает высокими ингибирующими свойствами и низким показателем фильтрации.

Недостатком данного раствора является использование для обеспечения ингибирующих, смазывающих, фильтрационных и противоприхватных свойств и сохранения фильтрации компонентов, которые являются высокотоксичными веществами (ПКД-515 - сочетание неионогенного ПАВ, азотосодержащей добавки и растворителя, а также реагент ДСБ-4ТТ - продукт конденсации моноэтаноламина и сырых талловых масел в смеси с керосином, моноэтаноламином и флотореагентом-оксалем).

Известен биополимерный буровой раствор, содержащий полимерный понизитель фильтрации - полианионную целлюлозу, или карбоксиметилцеллюлозу, или карбоксиметилоксиэтилцеллюлозу, или оксиэтилцеллюлозу, или гидролизованный полиакрилонитрил - 0,1-1,0, биополимер ксантанового типа - 0,2-0,5, этилендиамиды жирных кислот - продукт конденсации этилендиамина и фосфатидного концентрата 0,05-3,00, гуматы щелочных металлов - углещелочной реагент УЩР или гуматно-калиевый реагент ГКР - 3,0-5,0, соли щелочных и/или щелочноземельных металлов - KCl, NaCl, CaCl₂, MgCl₂, бишофит - 3,0-40,0 [RU 2289603, С09K 8/10 (2006.01), опубликовано 20.12.2006]. Известный раствор оказывает минимальное вредное влияние на окружающую среду.

Существенным недостатком данного бурового раствора является невозможность приготовления раствора плотностью выше 1,35 г/см³, что связано с природой растворимых солей. Также рассмотренный раствор обладает низкой термостойкостью, определяемой природой реагентов-стабилизаторов. Это ограничивает применимость данного раствора при аномально высоких пластовых давлениях (АВПД), где требуются растворы с большей плотностью.

Наиболее близким к предлагаемому составу и назначению является буровой раствор, содержащий стабилизатор ксантановый биополимер К.К. Робус - 0,3-0,5, реагент-стабилизатор карбоксиметилированный крахмал 3-4, ингибитор хлорид калия 4-5, регулятор pH - кальцинированную соду - 0,5-0,7, бактерицид алкилдиметилбензиламмоний хлорид Катамин АБ - 0,03-0,05, пеногаситель Пента-461 на основе органомодифицированных силиконов и органических компонентов 0,02-0,06, в качестве утяжеляющей добавки - барит 30-70 [RU №2481374, С09K 8/08 (2006.01), опубл. 10.05.2013]. Известный раствор не оказывает отрицательного влияния на коллекторские свойства продуктивных пластов с АВПД.

Недостатком данного раствора является ухудшение структурно-механических и реологических показателей бурового раствора, связанное с концентрационным загустеванием дисперсной системы при утяжелении, которое обусловлено увеличением объемного содержания утяжелителя в буровом растворе.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является разработка утяжеленного минерализованного безглинистого бурового раствора с ограниченным содержанием твердой фазы и оптимизированными структурно-реологическими свойствами, применяемого при бурении в условиях, характеризующихся высокими забойными температурами (до 120°C) и аномально высокими пластовыми давлениями (с коэффициентом аномальности до 2,4).

При осуществлении заявляемого технического решения поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в оптимизации структурно-реологических свойств бурового раствора с применением специальных добавок и галенитового утяжелителя, с целью обеспечения безаварийного бурения глубоких скважин в условиях высоких пластовых давлений и температур.

Указанный технический результат достигается тем, что буровой раствор содержит формиат натрия, полисахарид ксантанового типа «StabVisco-F», модифицированный крахмал «МК-3», гидрофобизирующую жидкость ГКЖ-11, смазывающую добавку «Экстра-С», воду и утяжеляющую добавку - галенитовый утяжелитель, при следующем соотношении компонентов, мас.%: формиат натрия - 37,00-42,00; полисахарид ксантанового типа - 0,27-0,32; модифицированный крахмал - 0,84-1,06; гидрофобизирующая жидкость - 0,69 - 1,01; смазывающая добавка - 1,63-1,97; вода - остальное и галенитовый утяжелитель до плотности 1900-2600 кг/м³ сверх 100 мас.%.

Достижение указанного технического результата обеспечивается за счет подбора компонентов (количественного и качественного) в заявляемом утяжеленном минерализованном безглинистом буровом растворе, совместное применение которых позволяет получить раствор высокой плотности (до 2500 кг/м³), при этом обладающий оптимальными структурно-реологическими и фильтрационными свойствами, высокой седиментационной устойчивостью, термостабильностью при температуре до 120°C.

Для приготовления заявляемого бурового раствора использовали следующие компоненты:

формиат натрия (HCOONa) - соль одноосновной предельной карбоновой (муравьиной) кислоты. Формиат натрия хорошо растворяется в воде с образованием «чистых» растворов высокой плотности, обеспечивает высокую ингибирующую способность, термостабильность, малую коррозионную активность и экологическую безопасность буровых растворов;

применение полисахаридных реагентов является эффективным решением для регулирования структурно-реологических и фильтрационных свойств минерализованных растворов;

полисахаридный реагент ксантанового типа StabVisco-F по ТУ 2492-001-30727975-2013, является эффективным структурообразователем минерализованных растворов, представляет собой линейный полисахарид неионогенного типа, повышает вязкость, статическое и динамическое напряжение сдвига буровых растворов на водной основе. Биополимер выпускается в виде порошка от светлого до серого цвета.

Для регулирования фильтрационных свойств безглинистых, в том числе минерализованных, буровых растворов широко применяются полимеры-стабилизаторы на основе крахмала. МК-3 - модифицированный крахмальный реагент представляет собой порошок бело-желтого цвета, предназначен для снижения фильтрации пресных, средне- и высокоминерализованных растворов, а также при высоких температурах. Реагент легко растворяется в воде любой минерализации.

Гидрофобизирующая жидкость ГКЖ-11 по ТУ 2229-512-05763441-2007 является водным раствором метилсиликоната калия. ГКЖ-11 универсальный реагент, повышающий смазочные свойства раствора и термостабильность утяжеленного минерализованного безглинистого бурового раствора

Для оптимизации смазочных свойств бурового раствора используется солестойкая смазывающая добавка Экстра-С по ТУ 2458-006-51444626-01, которая является продуктом химической переработки масел и жиров. Добавка термосолестойкая, полностью эмульгируется в растворах, в том числе с повышенным содержанием твердой фазы.

Утяжеление бурового раствора до необходимой плотности производят галенитовым утяжелителем по ТУ 1725-011-56864391-2007. Галенит или свинцовый блеск - является мелкодисперсным порошком сульфида свинца (PbS), содержащим в своем составе 86,6% свинца и 13,4% серы. Плотность галенита - более 7 г/см³, в частности, от 7,4 до 7,6 г/см³. Твердость по шкале Мооса 2-3. Галенит в качестве утяжелителя применяют для получения сверхтяжелых буровых растворов.

Утяжеленный минерализованный безглинистый буровой раствор в лабораторных условиях готовили следующим образом.

Дисперсионную среду - минерализованный раствор готовили путем растворения формиата натрия (HCOONa) в дистиллированной воде, при помощи смесительной установки, обеспечивающей скорость вращения швеллера (8000±1600) об/мин в течение 20 минут. Полученный высокоминерализованный раствор обрабатывали полисахаридными реагентами StabVisco-F и МК-3 путем поэтапного введения реагентов в высокоминерализованную среду при перемешивании раствора на смесительной установке в течение 20 минут и оставляли на 16 часов до полного их распускания. Через 16 часов полученный структурированный раствор поочередно обрабатывали кремнийорганической жидкостью (ГКЖ-11) и термосолестойкой смазочной добавкой (Экстра-С) при перемешивании на смесительной установке при той же скорости вращения швеллера в течение 30 минут. Поэтапное введение галенитового утяжелителя при постоянном перемешивании на смесительной установке позволяет доутяжелить минерализованный буровой раствор до требуемой плотности.

После этого измеряли технологические параметры бурового раствора с использованием аттестованных методик измерений при температуре (20±2)°C. Плотность бурового раствора определяли с помощью пикнометра. Для определения условной вязкости использовали вискозиметр ВБР-2. Для определения фильтрации использовали фильтр-пресс с площадью зоны фильтрации (45,8±0,6) см², обеспечивающий перепад давления на фильтрующем элементе 0,1 и 0,7 МПа. Реологические свойства определялись при помощи 8-скоростного ротационного вискозиметра, оснащенного коаксиальными измерительными цилиндрами. Стабильность раствора оценивалась при помощи цилиндра стабильности ЦС-2. Влияние высоких температур и давлений на технологические свойства утяжеленного ингибированного раствора определяли с помощью высокотемпературного ротационного вискозиметра с программным управлением, обеспечивающим максимальную температуру в измерительной ячейке 150°C.

В таблице представлены компонентный состав и технологические свойства раствора. Примеры приготовления и испытания составов, приведенных в таблице, аналогичны вышеописанному. Для выявления отличительных признаков и заявленного технического результата изменяли массовые соотношения компонентов (примеры 1-5).

Как видно из таблицы, заявляемый утяжеленный минерализованный безглинистый буровой раствор за счет использования современных многофункциональных реагентов обладает оптимальными структурно-реологическими и фильтрационными свойствами (табл. 1, поз. 1-3).

Утяжеленный минерализованный безглинистый буровой раствор при различных массовых соотношениях компонентов при температуре (20±2)°C имеет плотность (ρ) от 1900 до 2600 кг/м³, условную вязкость (Т) от 56 до 67 с, показатель фильтрации (Ф) от 0,1 до 0,4 см³/30 мин, статическое напряжение сдвига через 1 минуту и 10 минут покоя (СНС _{1 мин/10 мин}) от 65 до 92 и от 98 до 149 дПа соответственно, водородный показатель (pH) в пределах 8-9, пластическую вязкость (η_пл) от 76 до 107 мПа⋅с, предельное динамическое напряжение сдвига (τ₀) от 87 до 102 дПа, стабильность раствора (Δρ) от 4 до 7 кг/м³.

Исследования влияния высоких температур оценивали по изменению технологических показателей заявляемого раствора после термостатирования в вальцевой печи при температуре 120°C в течение 4-х часов. Полученные результаты свидетельствуют об устойчивости бурового раствора к воздействию высоких температур (табл. 1 поз. 4).

Заявляемый буровой раствор испытан на высокотемпературном вискозиметре. Полученные зависимости основных реологических показателей (1 - пластическая вязкость, 2 - предельное динамическое напряжение сдвига, 3, 4 - статическое напряжение сдвига) при нагреве до 120°C, представлены на фиг. 1 и 2. Полученные зависимости позволяют сделать вывод о том, что при повышении температуры до 120°C хотя и происходит некоторое снижение реологических показателей, но они остаются на приемлемом уровне. Это обстоятельство позволяет говорить о термостабильности заявляемого состава.

Совместное использование реагентов-стабилизаторов (StabVisco-F и МК-3, а также ГКЖ-11) обеспечивает оптимальные структурно-реологические и фильтрационные свойства, седиментационную устойчивость, а также придает заявляемому раствору термостабильность.

Снижение содержания утяжеляющей добавки в буровом растворе достигается за счет использования дисперсионной среды высокой плотности и галенитового утяжелителя.

Таким образом, заявляемый состав утяжеленного минерализованного безглинистого бурового раствора при заявляемом соотношении компонентов в сравнении с прототипом имеет более высокую плотность при меньшем содержании утяжеляющей добавки. Ограниченное содержание твердой фазы в составе утяжеленного минерализованного безглинистого бурового раствора обеспечивает оптимальные структурно-реологические свойства (показатели) бурового раствора в условиях высоких пластовых давлений и температур, что позволит осуществить безаварийный процесс бурения в данных условиях.