Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Исследование и разработка средств улучшения антикоррозионных и триботехнических свойств буровых промывочных жидкостей

ВАК РФ 25.00.15, Технология бурения и освоения скважин

Автореферат диссертации по теме "Исследование и разработка средств улучшения антикоррозионных и триботехнических свойств буровых промывочных жидкостей"

На правах рукописи

РАХМАТУЛЛИНА ГУЗЕЛЬ ВАЛЕРЬЕВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ УЛУЧШЕНИЯ АНТИКОРРОЗИОННЫХ И ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ БУРОВЫХ ПРОМЫВОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ

Специальность 25.00.15-Технология бурения и освоения скважин

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

11 СЕН 2014

005552429

Уфа-2014

005552429

Работа выполнена на кафедре «Бурение нефтяных и газовых скважин» Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Исмаков Рустэм Адипович Официальные оппоненты: Лушпеева Ольга Александровна

доктор технических наук, Сургутский институт нефти и газа филиал Тюменского государственного университета, профессор кафедры «Нефтегазовое дело » Христенко Алексей Витальевич кандидат технических наук, ООО НПП «БУРИНТЕХ», (г. Уфа), заведующий

испытательной лаборатории буровых растворов Ведущая организация Западно-Сибирский научно-исследовательский

и проектный институт технологий глубокого бурения (ЗапСибБурНИПИ), г. Тюмень

Защита состоится «17 » октября 2014 года в 1430 часов на заседании диссертационного совета Д 212.289.04 при ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» и на сайте www. rusoil. net

Автореферат разослан ? г.

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В настоящее время для разработки новых месторождений разбуривают скважины со сложным профилем, наклонно-направленные с длинными горизонтальными участками вхождения в продуктивный пласт (протяженность доходит до нескольких километров), что сопровождается значительными нагрузками на породоразрушающий и бурильный инструмент. В связи с чем, возрастают требования к буровым промывочным жидкостям, к их смазочным свойствам и очистке горизонтального участка скважины от шлама.

Смазочное действие промывочных жидкостей влияет, прежде всего, на работоспособность породоразрушающего инструмента и бурильной колонны, которая в свою очередь непосредственно отражается на технико-экономических показателях бурения. Например, при использовании гидрофоб-но-эмульсионных растворов на 20 - 25% снижаются потери энергии на трение бурильной колонны о стенки наклонных и горизонтальных скважин.

Улучшение триботехнических свойств промывочных жидкостей — эффективное средство повышения качества и скорости бурения скважин. Проблема совершенствования технологии бурения глубоких скважин тесно связана с решением задач технического перевооружения отрасли, создания на основе современных достижений физикохимии дисперсных систем новых материалов и средств для приготовления и управления свойствами промывочных и тампо-нажных растворов, применения методов математики для проектирования и управления режимами бурения.

Применяемые сегодня промывочные растворы для бурения скважин являются, в основном, дисперсными системами на водной основе. Глинистые, полимерные растворы, содержащие различные соли, агрессивные газы имеют высокую коррозионную активность. Высокая коррозионная активность буровых и промывочных жидкостей в сочетании с достаточно низкими противоизносны-

ми, смазочными свойствами снижает работоспособность бурового инструмента, долот, забойных двигателей.

Процесс коррозии усиливается при высоких контактных нагрузках в 1001000 раз, по сравнению со скоростью коррозии без нагружения. Поэтому улучшение антикоррозионных свойств промывочных жидкостей является одним из путей повышения долговечности бурового оборудования, и в целом повышения технико-экономические показатели (ТЭП) бурения. В связи с этим, важной задачей при бурении скважин является разработка реагентов для буровых растворов, которые улучшают триботехнических и антикоррозионных свойства буровых промывочных жидкостей (БПЖ) и обеспечивают высокую работоспособность бурильного и породоразрушающего инструментов. Эффективность большинства существующих противоизносных и смазочных добавок в буровые промывочные жидкости ограничена условиями бурения - попадание в раствор солей пластовых вод, наличие высоких контактных нагрузок и температур, агрессивных сред.

Целью работы является повышение качества буровых промывочных жидкостей, совершенствованием состава и технологии применения реагентов, улучшающих антикоррозионные и триботехнические свойства растворов.

Основные задачи исследований

1. Выбор методик проведения лабораторных и промысловых исследований.

2. Исследование взаимосвязи показателей антикоррозионных и триботехнических свойств промывочных жидкостей с привлечением современных электрохимических методов, машин трения и устройств.

3. Обоснование выбора эффективных реагентов на основе производных растительного сырья и реагентов синтетической природы при бурении глубоких скважин.

4. Промысловые испытания реагента САБ-3 и разработка ресурсного метода составления сметной стоимости бурения скважин, оценка эффективности

реагента.

Методы решения задач

Методы решения поставленных задач включают теоретическое и экспериментальное изучение коррозионных, смазочных и противоизносных свойств буровых промывочных жидкостей с использованием методик планирования эксперимента и статистической обработки результатов лабораторных и промысловых испытаний.

Научная новизна

1. Обоснован и реализован принцип получения защитных реагентов антикоррозионно-смазочного действия для промывочных жидкостей, заключающийся в сочетании компонентов, образующих прочные межмолекулярные связи в виде комплексов с переносом заряда в составе многослойных пленок на границе раздела фаз.

2. Установлено, что композиция формиата натрия и смазочно-коррозионного реагента САБ-3 при объемном соотношении 4:1 в составе промывочных жидкостей обеспечивает устойчивое состояние образующихся на металлических поверхностях интермедиатов.

Практическая ценность и реализация результатов работы

1. Реагенты САБ-3 и САБ-ЗМ в составе промывочных растворов апробированы при бурении и вскрытии продуктивных пластов на 14 скважинах месторождений Башкортостана и Западной Сибири с положительным эффектом.

2. Разработана и утверждена в филиале ООО « Башнефть-Геострой »Уфимское управление буровых работ «Инструкция по технологии применения смазочной и антикоррозионной добавки для буровых растворов САБ-3» от 25.12.2009 г.

3. Технология получения реагента САБ-3 освоена опытным производ -ством ООО «Уфабурнефть» г. Уфа (согласно ТУ 2458-014-00151816- 2010 г.).

4. Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе в виде учебного пособия «Буровые промывочные и тампонажные растворы», при чтении лекций по дисциплинам «Буровые промывочные жидкости», «Про-

мывочные жидкости и промывка скважин сложного профиля» и при выполнении выпускных работ студентами и магистрантами направления «Нефтегазовое дело», специальности «Бурение нефтяных и газовых скважин».

Защищаемые положения:

1. Результаты исследований взаимосвязи противоизносных и антикоррозионных свойств буровых промывочных жидкостей, позволяющих количественно оценить взаимосвязь показателей интенсивностей износа и коррозии материалов бурового инструмента;

2. Обоснование состава и технологии применения новой противоизнос-ной и антикоррозионной добавки САБ-3 на основе эфира рапсового масла;

3. Обоснование принципа улучшения антикоррозионных свойств промывочных жидкостей, образованием прочных межмолекулярных связей в виде ПКПЗ на границе раздела фаз многослойных пленок;

4. Обоснование ввода формиата натрия и смазочно-антикоррозионного реагента САБ-3 (при объемном соотношении 4:1) в состав БПЖ, подтверждает сохранение устойчивого состояния интермедиатов на металлических поверхностях;

5. Результаты промысловых испытаний реагента САБ-3 в условиях бурения в Башкирии и Западной Сибири - предприятиями ООО «Башнефть-Геострой» и ООО «Башнефть-Бурение».

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы представлены в материалах: Всероссийской научно-технической конференции "Инновационные решения в строительстве скважин", 2011, г. Уфа; Научно-технической конференции с международным участием "Инновационные решения для нефтегазовой отрасли (Опыт и перспективы)", 2012, г. Оренбург; П-ой Всероссийской научно-практической конференции "Практические аспекты нефтепромысловой химии", 2012, г. Уфа; IX Международной научно-практической конференции "Ашировские чтения", 2012, г. Туапсе, 1-ой Международной научно-

практической конференции "Проблемы и тенденции развития инновационной экономики: международный опыт и практика", 2013г, г.Уфа, XIII Международной научной конференции "Трибология и надежность", 2013г, г. Санкт-Петербург.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 211 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех разделов, выводов и заключения. Список используемой литературы состоит из 226 наименований. Работа включает 31 таблицу, 43 рисунка и 7 приложений.

Автор выражает благодарность за помощь научно.му руководителю д.т.н., профессору Исмакову P.A., сотрудникам кафедры бурения н/г скважин профессору Конесеву Г.В., доценту Сакаеву P.M. и начальнику отдела ОАО HI 111 «Азимут» Асфандиарову Л.Х.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна, защищаемые положения и практическая значимость работы.

В первой главе проанализировано современное состояние проблемы в области разработки и применения смазочных добавок для промывочных растворов при бурении и заканчивании нефтегазовых скважин.

Работоспособность долот, забойных двигателей, бурильного инструмента зависит от многочисленных факторов конструкционного, технологического и эксплуатационного характера. Актуальной задачей современной технологии бурения является согласованное управление этими факторами с целью повышения производительности и долговечности породоразрушающего инструмента и в целом , эффективности проведения буровых работ. Исследованиями отечественных и зарубежных авторов установлены основные причины низкой дол-

говечности породоразрушающего и бурильного инструментов, виды их изнашивания, установлена роль триботехнических свойств промывочных жидкостей в повышении долговечности долот и глубинного инструмента. В решении этих задач большой вклад внесли исследования ПЛ. Ребиндера, JI. Д. Жигача, JI.A. Шрейнера, Э.Г. Кистера, O.K. Ангелопуло, А. И. Спивака, М. Р. Мавлюто-ва, А.А.Рябоконь, А.Н. Гноевых, Е.А. Коновалова, С.Н. Бастрикова, O.A. Луш-пеевой, Е.В. Беленко, Л.П.Вахрушева, В.Н.Кошелева, Н.Г. Кашкарова, Е.Ф. Эпштейна, В.Ф. Сирика, A.C. Рекина, А.И.Острягина, В.Н.Утумбаева, И.Н.Гриневского, B.C. Любимова и др., а также зарубежных ученых В. Браунинга, Т. Мондшейна, М. Розенберга, Р. Тейлора и др. Эти исследования позволили разработать ряд смазочных добавок к промывочным жидкостям, уточнить механизм влияния среды на износостойкость материалов в буровой технологии.

В настоящее время разработано большое количество смазочных добавок для буровых промывочных растворов, в составе которых присутствуют соли металлов, в основном щелочные, жирные кислоты, сложные эфиры жирных кислот, хлорированные, сульфированные, конденсированные жирные кислоты, а также сложные смеси природных веществ, например гудронов растительных масел и др. Они обладают поверхностно-активными свойствами, т.е. являются в определенной мере поверхностно-активными веществами (ПАВ).

В тоже время анионактивные ПАВ практически не работают в условиях солевой агрессии, неионогенные ПАВ в условиях высоких контактных нагрузок (более 5000 МПа) характерных для процесса бурения практически не повышают износостойкость. Вследствие чего осуществить целевой выбор нужной смазочной добавки крайне сложно. При этом в процессе изучения триботехнических свойств промывочных растворов мало уделяется внимания коррозионным процессам. Принято считать (В.Н. Виноградов, Н. М. Жидовцев), что коррозионная активность растворов способствует абразивному, усталостному и другим видам изнашивания породоразрушающего и бурильного инструментов.

Анализ данных в области изучения процессов трения и смазочных добавок

для бурения свидетельствует о том, что эффективность смазки определяется свойствами граничных пленок, которые образуются в результате адсорбции смазочного материала на границе раздела трущихся металлических поверхностей. В исследованиях отечественных ученых (Дихтярь Т.Д., Мамаевой О.Г., Мойса Ю. Н., Коновалова Е. А., Бастрикова С. Н., Мотылевой Т. А., Четверт-невой И. А. и др.) показано, что перспективными и универсальными смазочными добавками к промывочным растворам являются химические соединения на основе предельных и непредельных высших (карбоновых) кислот или их мыл (ВЖК), синтетических жирных кислот (СЖК). Эффективность указанных соединений, обусловлена образованием на металлических поверхностях (в узлах трения) прочных защитных пленок. Высшие жирные кислоты создают, в основном, вязкопластичные хемосорбционные пленки органометаллических водонерастворимых мыл, обладающих высокими адгезионными и когезионны-ми свойствами. Эти пленки защищают металл от изнашивания в тяжелых условиях граничного трения.

К сожалению, большинство применяемых отечественных и зарубежных смазочных реагентов (ИКБ 4В, ИКБ-4ТМ, ФК-2000, ФК-2000 Плюс, Трибос, Спринт, Кемфор МСМ экстра-с, ДСБ-4ТТП, ЛУБРИ-М, ГЛИТАЛ, ПОЛИТАЛ, ЖИРМА, СРЖН, СДБУР, водные растворы ПАВ, Drill-Free, FK-Lube, TEQ-Lube др.) в большинстве случаев не способны эффективно функционировать в сложных горно-геологических условиях бурения (наличии полиминеральной и сероводородной агрессии, высоких температур и давлений).

На основании проведенного литературного обзора сформулированы цель и задачи настоящей работы.

Во второй главе рассмотрены существующие методы исследования смазочных, противоизносных и антикоррозионных свойств буровых промывочных растворов и обоснован выбор методик для решения задач диссертационной работы.

Изучение триботехнических свойств промывочных растворов проводили с использованием как стандартных машин трения (ЧМТ, ИИ-5018), так и тесте-

ра фирмы БАМЫ, трибометрической установки «демонстратор износа» .

Антиприхватные свойства реагентов оценивали по коэффициенту трения пары «сталь-глинистая корка» на известных приборах КТК-2, ФСК-2М, ФАСК-1.

Экспериментальное изучение толщины смазочного слоя, образуемого реагентом на поверхностях трения, проводилось на изготовленном нами устройстве, работающем на основе известного метода «СТОПы». Сущность этого метода заключается в измерении суммарной толщины 15 20 плоских или сферических стальных образцов сначала сухих, а затем смазанных исследуемым материалом.

Изучение антикоррозионных свойств растворов проводили в лаборатории «Геохимии и физико-химических методов исследований» УГНТУ электрохимическими методами. При оценке коррозионных свойств буровых промывочных жидкостей (БПЖ) по величине рН при введении в них различных добавок, солей и реагентов применяли приборы рН- метры.

Для определения значений токов коррозии, протекающих в металлах, использовали потенциостаты ПИ-50-1.1, 1РС. Применяли установки «Мони-кор-2М» с индикатором скорости коррозии для определения коррозионной агрессивности различных жидких сред и защитной эффективности ингибиторов коррозии. Также при изучении антикоррозионных показателей различных буровых промывочных жидкостей использовали такие приборы: анализаторы жидкостей лабораторной серии АНИОН 4100, установки для окислительно-восстановительного, комплексонометрического и кондуктометрического титрований, анализатора вольтамперометрического АБС-1.1.

Совместно с Л.Х. Асфандиаровым и Г.В. Конесевым нами обосновано применение методики исследования противокоррозионной эффективности реагентов, используемых для регулирования свойств промывочных жидкостей. Сущность методики заключается в снятии цикловольтамперометрических кривых (метод ЦВА) стали в среде исследуемой жидкости, залитой в трехэлек-тродную ячейку, при прямом и обратном ходах изменения потенциала от ста-

ционарного (коррозионного) до +250мВ, что позволяет изучать восстанавливаемость образующихся на поверхности металлов защитных пленок.

В третьей главе приведены результаты исследований по разработке реагента многофункционального действия, улучшающего антикоррозионные и антифрикционные свойства буровых промывочных жидкостей. В условиях циклического контактного взаимодействия металлов коррозионные процессы ускоряются в десятки и сотни раз (Э.М.Гутман, Г. А. Прейс, Г. Е. Лазарев, А.М.Маркин, А.Г.Дзюб). В коррозионно-активных средах в металлах, находящихся под напряжением, ускоряются «механоэлектрохимические» процессы, приводящие к снижению износостойкости материалов (Э.М.Гутман).

Для условий трения скольжения Г.Е.Лазарев предложил и обосновал механизм коррозионно-механического изнашивания металлов в воде с различными значениями рН (рН=1-14). При скольжении под воздействием нагрузки пассивирующая пленка разрушается. В момент разрушения этой пленки скорость растворения стали при рН=1 и рН=14 ускоряется доЮОО раз. Время, необходимое для образования новой пленки, колеблется от 0.005 с (при рН=1) до 0,015с (рН=7) и 0,0005-0,0015с (рН=14).

При высокооборотном бурении цикличность взаимодействия роликов с цапфой составляет 0.004-0,009 с. Для условий работы цапфы шарошечного долота возможно возникновение и протекание процессов, подобных «механо-электрохимическим» процессам, исследованным Г. Е. Лазаревым. Ранее проведенные исследования (Мавлютов М.Р., Рахматуллин В.Р.), показали, что в агрессивных средах в процессе изнашивания долотной стали, скорость коррозионных процессов возрастает в 15-35 раз. Поэтому, при улучшении триботехни-ческих свойств промывочных жидкостей введением специальных реагентов, необходимо учитывать коррозионную активность среды. Основным требованием предъявляемым к ним является антикоррозионная, ингибирующая способность, а также способность создавать устойчивые к разрушению пленки-экраны на металле, защищающие его от коррозии и износа.

Кроме того, ингибиторы коррозионно-механического изнашивания долж-

ны быть ингибиторами адсорбционного типа, т.е. обладать поверхностной активностью и адсорбируясь на металлах, образовывать не хрупкие покровные пленки, а пластифицировать поверхность металлов, облегчать сдвиг поверхностей, особенно в парах «металл-фильтрационная корка».

Исследования по разработке смазочных и антикоррозионных добавок для БПЖ выполнены на основе следующих теоретических положений: 1) механизмы равновесного и локального растворения, пассивации, а также коррози-онно-механического разрушения (износа) металлов группы железа в слабощелочных, нейтральных и кислых водных средах различного анионного состава, тесно связаны с адсорбцией молекул воды на поверхности металла и взаимодействием анионов среды с поверхностными комплексами «вода-металл», которые могут, как стимулировать, так и тормозить процесс растворения металла; 2) направление и эффективность электродных процессов, в частности, процесса растворения железа и сплавов на его основе, а также сталей в кислых, нейтральных и слабощелочных средах во многом определяются свойствами образующихся интермедиатов, в данном случае, поверхностных комплексов с переносом заряда (1ЖЗП). Соответствующим выбором аниона - ингибитора можно создать интермедиаты с крайне низкой реакционной способностью и высокой устойчивостью к разрушению; 3) органические ингибиторы коррозии, особенно с линейным строением радикалов и соответствующими функциональными группами (-ОН,=N11, и др.), обладают высокой биоразлагаемостью в биосфере; 4)при сочетании ингибитора донора, ингибитора акцептора и экранирующего ингибитора возможно проявление синергетического эффекта за счет образования прочных хемосорбционных слоев пленки на поверхности металла, очищенной от примесей (в т.ч. воды) ингибитором экранирующего типа и последующим образованием на них «толстых» слоев соединений адсорбционного типа (структура «сэндвич»).

Влияние неорганических солей на коррозионную активность воды достаточно хорошо изучено в трудах отечественных и зарубежных ученых и заключается в следующем: молекулы воды с атомами железа образуют поверхност-

ные интермедиа™, которые живут несколько миллисекунд и уходят в раствор, если нет препятствия. При появлении ионов кислорода, они с ионами водорода усиливают водородные связи в пленке, и пленка приобретает свойства экрана, тем самым, перекрывая пути диффузии атомов железа. При введении же в воду минеральной соли, например, хлористого натрия, разрушаются водородные связи, коррозия железа усиливается, что подтверждается результатами, полученными на полярографе ABC 1.1 и потенциостатах при изменении потенциала в анодном направлении (до +250 мВ) ток коррозии растет и достигает 1тах=18,50мА. Таким образом, солевая пленка (интермедиат) с ростом потенциала быстро разрушается и открывает доступ агрессивной среды к поверхности металла. При изменении потенциала в обратном направлении (обратная ветвь) ток коррозии практически совпадает с током прямой ветви. Это указывает на то, что растворенная при прямом ходе развертки потенциала пленка не успевает восстанавливаться.

Для защиты породоразрушающего и бурильного инструментов от коррозии и износа в диссертационной работе обосновано применение в качестве добавок к водным промывочным жидкостям эфиров жирных кислот рапсового масла. Полученный реагент получил название САБ-3.

Молекулы реагента САБ-3 на основе указанных эфиров содержат слож-ноэфирную, гидроксильную и аминную функциональные группы. Плотность САБ-3 составляет 900 - 1050 кг/м3, температура замерзания - минус 25 °С, температура вспышки в открытом тигле - 95 °С. Реагент САБ-3 хорошо совмещается с водой и водными промывочными жидкостями (глинистые растворы, безглинистые биополимерные растворы), существенно улучшает антикоррозионные и триботехнические свойства промывочных жидкостей.

Поскольку для тяжелонагруженных узлов трения, характерных для буровой технологии, очень важно обеспечить, с одной стороны, прочную связь молекул защитного реагента с поверхностью металла, а с другой - низкое сопротивление сдвигу между взаимодействующими поверхностями трения, целесообразно формировать на границе раздела фаз полислойные защитные пленки с

заданными свойствами. По существу задача сводится к созданию на твердых поверхностях адсорбции устойчивых к разрушению интермедиатов с высокой ингибирующей способностью. Наиболее доступным, на наш взгляд, решением указанной задачи является использование в составе защитного реагента компонентов, способных к электронодонорно-акцепторным взаимодействиям с адсорбентом, в частности, создающим устойчивые комплексы с переносом заряда. В диссертационной работе обосновано применение в промывочных жидкостях композиции САБ-ЗМ, представляющей собой модификацию САБ-3 с натриевой солью муравьиной кислоты. Интермедиаты, образующиеся с участием органического аниона, энергетически активно взаимодействуют с поверхностными ионами железа, проявляя свойства ингибитора экранирующего типа. При этом уменьшаются токи коррозии и облегчаются деформации сдвига за счет поверхностного пластифицирования металла. Для более эффективной защиты металла от износа, а также для уменьшения сопротивления сдвигу в парах «металл-глинистая корка», «металл-горная порода» целесообразна комбинация эфиров кислот рапсового масла с формиатом натрия (ФН).

На рисунке 1 приведены цикловольтоамперометрические (ЦВА) кривые изменения токов коррозии для Ст.З в среде исходного (ИР) раствора (вода + 3% №С1) без добавок и с разработанными добавками.

Из рисунка 1 видно, что в среде исходного раствора сталь подвергается наиболее сильной коррозии, максимальный анодный ток достигает 3,5 мА, а восходящая и нисходящие ветви кривых практически совпадают. В растворах ИР + 1% САБ и ИР+ 1% САБ + 4% ФН максимальные токи коррозии снизились соответственно до 2,8 мА и 1,05 мА.

При обратном ходе изменение потенциала рабочего электрода от максимального до стационарного, демонстрируемые нисходящими ветвями ЦВА кривых (рис. 1) происходит высокими темпами снижения токов коррозии. Это указывает на то, что залечивание несовершенств защитной пленки, получаемые при прямом ходе развертки потенциала от стационарного до максимального

(равное 200 мВ по отношению к потенциалу хлоридсеребрянного электрода, принимаего за ноль) происходит со скоростью большей, чем скорость образо -

-600 -400 -200 0 200

Потенциал, мВ ■ Восходящая линия — — — • Нисходящая линия

1- ИР, 2. - ИР + 1% САБ, 3. - ИР + 1% САБ-3 + 4% ФН (САБ-ЗМ)

Рисунок 1 - Цикловольтоамперные кривые для СтЗ в среде различных промывочных жидкостей

вания этих несовершенств. Расчеты степени защиты стали от коррозии, показали, что при обработке минерализованной воды реагентом САБ-3 и формиата натрия с САБ-З(САБ-ЗМ) степень защиты от коррозии составляет 88% и 94% соответственно.

При исследовании антикоррозионных и триботехнических свойств реагентов в качестве базовых промывочных жидкостей использовались вода техническая, глинистый и безглинистый биополимерный растворы и реагенты Лубриол, Сонбур 1101, ФК-2000 и др. Для обобщения результатов лабораторных испытаний с помощью программы Statgraffics получены уравнения регрессии для коэффициента трения пары «сталь-сталь», скоростей общей

и локальной коррозии, а также скорости изнашивания стали от скорости локальной коррозии и от толщины смазочной пленки. Хотя эти зависимости носят частный характер, они позволяют оценить направление и силу влияния переменных факторов на выходные параметры.

В таблице 1 приведены некоторые результаты изучения влияния различных реагентов на показатели антикоррозионных и триботехнических свойств промывочных жидкостей.

Состав исходного глинистого раствора (БР) был следующий (%): 3 бентонит + 0,2 Ка2СОэ + 8 мел +0,3 унифлок + 0,6 КМЦ + 0,5 КССБ + 0,01 ПЭС-1 + вода (ост.).

Основные параметры раствора: плотность = 1080 кг/м3, условная вязкость по СПВ-5 = 55 с, показатель фильтрации ПФ = 5 см3/30 мин по ВМ-6, СНС 1/10 = 7/19 дПа, рН = 8-¡-10, коэффициент трения по КТК-2 через 5 мин., 10 мин., 20 мин. составлял соответственно 0,12; 0,13; 0,15. Скорость изнашивания стали и коэффициент трения пары «сталь-сталь» определялись по результатам опытов на тестере РАГ\ГК

Из таблицы 1 видно, что комплексная добавка САБ-3 с формиатом натрия (САБ-ЗМ) как в воде, так и в глинистом растворе кратно и наиболее существенно по сравнению с аналогами повышает толщину смазочной пленки, снижает скорости коррозии и изнашивания сталей,

Вероятный механизм защитного действия реагентов САБ-3 и его комбинации с формиатом натрия нам представляется следующим.

Вытеснив воду с поверхности металла, функциональные группы реагентов, сорбируясь на нем, отдают избыток электронов с образованием электроно-донорной связи, что подтверждается уменьшением работы выхода электронов. Эта способность разработанных реагентов установлена нами измерением электрохимического потенциала, который составил: в дистиллированной воде +367 мВ, при добавке в воду 1% САБ-3 - минус 42 мВ, что характеризует уменьшение работы выхода электрона с поверхности металла.

На поверхности металла образуется пленка, выход ионов металла в раствор затрудняется.

Таблица 1 - Показатели триботехнических и антикоррозионных свойств различных промывочных жидкостей.

Промывочная жидкость Относи Удель- Удельный Ско- Коэф-

тельная ный ток ток лока- рость фици-

тол- общей льной изна- ент

щина коррозии, коррозии, мкА/см2 шивания трения пары

сма- мкА/см2 стали, «сталь-

зочно- мг/час сталь»

го слоя

Вода (пресная) 1,0 160 2200 1,0. 0,16

Вода+1% масло И - 20 1,65 140 1100 0,9 0,12

Вода+4% ФН 2,68 70 750 0,4 0,1

Вода+1% САБ - 3 3,30 60 650 0,3 0,1

Вода+4% ФН+ 1% САБ - З(САБ-ЗМ) 3,58 50 450 0,2 0,1

Вода+4%ФН+ 1% +Лубриол 1,65 80 840 0,8 0,1

Вода+1% СонбурП-01 3,00 70 720 0,5 0,1

Вода+1% Лубриол 2,47 75 750 0,9 0,12

Вода+1% ФК-2000 2,09 80 820 1,2 0,11

БР 1.86 150 1250 6,0 0,16

БР+1% САБ-3 4.00 20 250 J 0,4 0,05

БР+1% Сонбур 11-01 3.33 35 837 0,7 0,07

БР+1% Лубриол 2.43 40 745 1,4 0,13

БР+1% ФК-2000 2.30 46 390 1,0 0,12

БР+4% формиат натрия 4.85 120 1725 1,8 0,19

БР+4% формиат натрия +1 % САБ — З(САБ-ЗМ) 5.44 10 40 0,3 0,04

На рисунке 2 схематично изображены стадии образование пленки. Образование пленки происходит по следующей схеме: 1) поступление аминогруппы к гидратированной поверхности металла; 2) вытеснение воды с поверхности металла; 3) образование ПКПЗ.

Н Н

I I

1)Ме...0-Н+КЫН2, 2) Ме+О - Н.. - Я, 3)Ме+ЮЧН2 = Ме... N-11

I II I

н н н н

Рисунок 2 - Схема образования ПКЗП

Для усиления защитного действия пленки САБ-3 подобрана композиция САБ-ЗМ, состоящая из 4 частей формиата натрия и одной части САБ-3.

Исследования адгезионной свойств растворов показали (таблица 2), что глинистый раствор, обработанный формиатом натрия снижает адгезию (Н/см2) между металлом и глинистой коркой: с 0,18 до 0,12 (33%) через 5 минут контакта; с 0,15 до 0,12 (20%) через 20 минут контакта.

Таблица 2 - Результаты исследования адгезионных свойств полимер глинистого бурового раствора (ПГБР)

Состав раствора Параметры раствора

Р, кг/м3 УВ, с мПа. с то, дПа ПФ, см3/30мин Удельная адгезия Руд, Н/см2, при продолжительности контакта, мин

5 10 20

1.ИСХ.ПГБР: 4%ПБМА+ 5%СаСО3+ 0,1%ПАЦ-ВВ +вода (ост.) 1040 22 1,67 3,38 12 0,180 0,153 0,153

2. Исх.раствор + 4% НСООИа 1080 20 2,83 8,45 13 0,12 0,209 0,123

З.Исх.раствор + 4% НСО(Жа+ 1,0%С АБ-3 1070 21 2,26 11,84 15 0,049 0,105 0,039

Введение 1% САБ-3 в раствор с формиатом натрия позволяет снизить удельную адгезию между металлом и коркой через 5 минут до 0,05 (в 3,6 раза по сравнению с исходным и в 2,4 раза относительно раствора с формиатом натрия). Через 20 минут удельная адгезия составила 0,04 (меньше в 4 и 3 раза по сравнению соответственно с исходным раствором и с формиатом натрия). Ко-

роткоцепочная связь между полярными слоями формиата натрия и реагента САБ-3 позволяет легко сдвигаться этим слоям друг относительно друга.

Указанная композиция САБ-3 и формиата натрия создает на поверхности металла защитный двойной слой, состоящий из первого, адсорбированного на твердой поверхности слоя формиата натрия и второго слоя молекул САБ-3, расположенного на слое формиата натрия. Двойной слой придает высокие антикоррозионные и триботехнические свойства буровой промывочной жидкости.

В четвертой главе изложены результаты промысловой апробации разработанных смазочных добавок при бурении и заканчивании скважин в ООО «Башнефть-Геострой» и ООО «Башнефть-Бурение» на месторождениях «АНК Башнефть» в Западной Сибири и Республики Башкортостан. Опытные реагенты применялись при бурении основных стволов, при проходке интервалов, склонных к обвалам (верейский и кыновский горизонты), а также при заканчивании наклонно-направленных, горизонтальных и боковых стволов, при проводке разведочных скважин.

Смазочные добавки вводились в полимерглинистые и безглинистые растворы. Содержание их поддерживалось на уровне 0,5 - 1,0% и контролировалось с помощью прибора КТК-2: при повышении значений коэффициента трения выше требуемых осуществлялись повторные обработки растворов. Эффективность опытных смазочных добавок оценивалась по влиянию их на показатели работы долот, на появление затяжек и прихватов колонн в скважинах. В качестве примера в таблице 3 приведены данные по отработке долот по пяти скважинам на Волковской площади Республики Башкортостан-

Видно, что при практически не изменившейся механической скорости бурения, проходка на долото возросла в среднем на 18-^29% за счет роста долговечности долот при обработке исходного полимер глинистого раствора реагентом САБ-3.

В целом промысловые испытания опытных реагентов, проведенные при бурении 14 скважин, показали повышение эффективности работы долот, отсут-

ствие затяжек и прихватов колонн в скважинах.

Расчет экономической эффективности применения опытных реагентов при бурении скважин выполнен по методике, разработанной автором в УГНТУ совместно с ООО «СамараНИПИнефть».

Особенность разработанной методики расчета заключается в учете перечня ресурсов для реализации конкретной технологии бурения, в составлении локальных смет по этапам работ, ресурсных ведомостей. Таблица 3 - Сравнительные показатели отработки долот на Волковской площади

Типор^ интерваг ер долота, бурения, м Полимер глинистый раствор (ПГР) с добавкой САБ-3 ПГР Изменение показателей, +.%

Типоразмер долота г « и р. >> ю § о. и н к К 1 к" 1 ч о « ч £ о н о и 0 Ч Я 1 8 г В" £ и о м » о н О £ 0 & К и я к и а 1 Э ^ X -Л 5 2 > о ¡4 о Ч о п с? о У 1 ч о ч « И я а о сМ Я" ¿2 О X « в ¡2 О а § о и кг В Т п Л 1

215,9 сзгв 280-804 40 62 6,5 9,5 53 47,5 5,16 9,2 29 26 3

215,9 СЗГВ 840-980 20 45 5,1 8,8 25 38 4,4 8,6 18 16 2

Итого по СЗГВ 60 56,3 6 9,3 78 44,4 4,9 9 26 22 3

215,9 ТЗГНУ 9801410 25 60 10,7 5,6 30 49 10 4,9 22 7 15

Сметная стоимость строительства скважин должна определяться с применением, как правило, укрупненных показателей стоимости строительства (У ПС С) и укрупненных показателей видов работ (УПВР). Они обеспечивают необходимую достоверность подсчета и сокращение объема сметной документации, а при их отсутствии - по расценкам отраслевых сборников на строительство скважин, а также по текущим ценам (калькуляциям) на материалы, конструкции и изделия, калькуляциям транспортных расходов.

Разработанная методика внедрена в ООО «СамараНИПИнефть» и ЗАО «Ванкорнефть» ОАО «НК «Роснефть», а также использована при оценке эффективности новых реагентов. Фактический экономический эффект по промысловым испытаниям опытных реагентов составил 295 тыс. руб.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Выполнено теоретическое и экспериментальное обоснование компонентного состава и технологии получения комплексных реагентов на растительной и синтетической основе, улучшающих показатели антикоррозионных и триботехнических свойств буровых промывочных жидкостей за счет формирования на поверхностях металлов интермедиатов из полислойных защитных пленок, включающих соединения с короткоцепочными радикалами и эфиров растительного масла.

2. Подтверждено, что противоизносные и антифрикционные свойства промывочных жидкостей взаимосвязаны с их антикоррозионными свойствами. На основе экспериментальных исследований получены корреляционные уравнения взаимосвязи скорости изнашивания стали, коэффициента трения пары «сталь-сталь» от скорости коррозии стали в среде промывочных жидкостей. Подавление коррозионной активности жидкостей на водной основе разработанными средствами реагентной обработки позволяет кратно улучшить показатели их триботехнических свойств. Предложен принцип получения реагентов, обладающих антикоррозионными и смазочными свойствами за счет образования прочных межмолекулярных связей в виде ПКПЗ в составе многослойных пленок на поверхности металла.

3. Обоснован комплекс методов изучения взаимосвязи показателей триботехнических и антикоррозионных свойств буровых промывочных жидкостей. Обоснован выбор методики изучения способности защитных реагентов формировать на поверхности металлов самовосстанавливающиеся пленки в корро-зионно-активных средах.

4.0боснована технология получения в производственных условиях нового реагента САБ-3 .Усилено антикоррозионно-смазочное действие реагента со-

зданием композиции САБ-ЗМ: формиат натрия и САБ-3, объемное соотношение 4:1. САБ-ЗМ обеспечивает устойчивое состояние интермедиатов, образующихся на поверхности металла. Выполнены промысловые испытания реагента при бурении скважин в различных регионах РФ и показана его эффективность, рассчитанная по разработанному ресурсному методу составления сметной стоимости бурения скважин.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих научных трудах:

В изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ:

1. Гнибидин В.Н., Рахматуллина Г.В., Исмаков P.A. и др. Анализ нормативной базы методов определения сметной стоимости строительства скважин на нефть и газ//Территория Нефтегаз,- №2, 2012, Москва. - С. 12-15.

2. Гнибидин В.Н., Рахматуллина Г. В., Исмаков Р.А.и др. Совершенствование методических подходов расчета сметной стоимости строительства скважин на нефть и газ на основе ресурсного метода//Территория Нефтегаз. №4,2012, Москва. - С. 84-89.

3. Рахматуллина Г.В., Конесев Г.В., Исмаков P.A. и др. Улучшение антикоррозионных свойств буровых промывочных жидкостей //Научно-технический вестник Поволжья.-№4,2013,Казань. - С. 226-231.

4. Рахматуллина Г.В., Исмаков P.A.,Конесев Г.В. и др. Изучение толщины граничных смазочных слоев буровых промывочных сред //Научно-технический вестник Поволжья. -№5,2013, Казань. - С. 204-212.

в других изданиях:

5. Рахматуллина Г.В., Заляев O.A., Московец A.B. и др. Повышение качества буровых растворов применением смазочных добавок. Сборник материалов конференции: Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ, Уфа: Изд. УГНТУ, 2009. - С.47.

6. Рахматуллина Г.В. Смазочная и антикоррозионная добавка САБ-3. Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Инновационные реше-

ния в строительстве скважин (100-летию со дня рождения академика A.A. Трофимука), Уфа: Изд. УГНТУ, 2011.- С.88.

7. Рахматуллина Г.В., Хамадиева М.М., Исмаков P.A. и др. Изучение смазоч -ных и антикоррозионных свойств буровых растворов. Материалы науч.-техн. конф. «Инновационные решения для нефтегазовой отрасли», посвященная 35-летию института «ВолгоУралНИПИгаз», Оренбург, 2012. - С.7.

8. Рахматуллина Г.В., Исмаков P.A.,Сумароков Д.Д. и др. Особенности применения смазывающих добавок бурового раствора на Ванкорском месторождении. Тезисы докладов II Всероссийской научно-практической конференции. Уфа, 2012.- С.93.

9. Заляев O.A., Рахматуллина Г.В., Р.Р.Рахимов и др. Методика оценки несущей способности граничных смазочных слоев жидких сред. Сб. науч. тр. I Международной научно-практической конференции «Проблемы и тенденции развития инновационной экономики», т. 2, Уфа, 2013. С.162-164.

10. Нигматуллин В.Р., Нигматуллин И.Р., Рахматуллина Г.В. и др. Повышение высокотемпературных свойств смазок. Сб. науч. тр. I Международной научно-практической конференции Проблемы и тенденции развития инновационной экономики: международный опыт и практика, т 2, Уфа, 2013. С.171-173.

11. Рахматуллина Г.В., Рахимов P.P., Суюндуков Б.А. и др. Смазочные материалы для буровой технологии на основе эфиров растительных масел. Сб. науч. тр. I Международной научно-практической конференции. Проблемы и тенденции развития инновационной экономики: международный опыт и практика, т. 2,Уфа,2013.-С.174.

12. Рахматуллина Г.В., Никитенко Ю.В., Исмаков P.A. и др. Изучение коррозионных свойств буровых растворов. Материалы IX международной науч.-практ. конференции «Ашировские чтения», т.2,Самара, 2012. - С. 47.

13. Рахматуллина Г.В., Асфандиаров Л.Х., Исмаков P.A. и др. Изучение граничных смазочных слоев буровых промывочных сред. Труды XIII Международной научной конференции «Трибология и надежность», Санкт-Петербург, 2013.- С.110-112.

Подписано в печать12.08.2014. Бумага офсетная. Формат 60x84 Vis. Гарнитура «Тайме». Печать трафаретная. Физ. печ. л. 1,5. Усл. печ. л. 0,93. Тираж 90. Заказ 167.

Редакционно-издательский центр Уфимского государственного нефтяного технического университета

Адрес редакционно-издательского центра: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1