Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Исследование и совершенствование эмульсионных растворов на углеводородной основе для повышения эффективности бурения скважин в сложных геолого-технических условиях

ВАК РФ 25.00.15, Технология бурения и освоения скважин

Автореферат диссертации по теме "Исследование и совершенствование эмульсионных растворов на углеводородной основе для повышения эффективности бурения скважин в сложных геолого-технических условиях"

На правах рукописи

ШИШКОВ ВАЛЕРИЙ СЕРГЕЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭМУЛЬСИОННЫХ РАСТВОРОВ НА УГЛЕВОДОРОДНОЙ ОСНОВЕ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ БУРЕНИЯ СКВАЖИН В СЛОЖНЫХ ГЕОЛОГО-ТЕХНИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Специальность 25.00.15 - Технология бурения и освоения скважин

АВТОРЕФЕРАТ диссертации па соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 МА? ¿ві2

Москва 2012

005015084

Работа выполнена на кафедре «Промышленная экология» в ФГБОУ ВИО «Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина» и в научно-исследовательской лаборатории общества с ограниченной ответственностью «Научно-производственная компания «ЭКСБУР-К» Научный руководитель: - Заворотный Виталий Леонидович

кандидат технических наук Официальные оппоненты: - Ипполитов Вячеслав Васильевич

доктор технических наук, ООО «Сервисный центр СБМ», заместитель генерального директора по науке - Маслов Валентин Владимирович кандидат технических наук, ОАО «Сервисный центр Буровые технологии», генеральный директор Ведущая организация: - ООО «НК «Роснефть - Научно-технический

центр (ООО «НК «Роснефть-НТЦ») Защита состоится 21 марта 2012 года в 10:00 часов на заседании объединенного диссертационного совета ДМ 002.059.04 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте машиноведения им. А.А. Бла-гонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН) по адресу: г. Москва, 119334, ул. Бардина, д. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИМАШ РАН по адресу: г. Москва, 119334, ул. Бардина, д. 4.

Автореферат разослан 20 февраля 2012 года

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

А.П. Аверьянов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Дальнейшее успешное развитие ТЭК в стране во многом зависит от опережающего, в сравнении с достигнутым уровнем добычи, прироста извлекаемых запасов углеводородного сырья промышленных категорий. Перспективы расширения минерально-сырьевой базы в России тесно связаны с темпами ведения геологоразведочных работ на нефть и газ, бурением глубоких (наклонных, горизонтальных, многозабойных) и сверхглубоких скважин в сложных горно-геологических, термобарических и природно-климатических условиях. Эффективность бурения в значительной мере зависит от бурового раствора, тип и свойства которого влияют на качество строительства скважин, определяют возможность предупреждения осложнений и успешность вскрытия и освоения продуктивных пластов. В настоящее время прилагается немало усилий для предотвращения повреждения продуктивных пластов в период их первичного и вторичного вскрытия от загрязнения буровыми растворами на водной основе - основного типа промывочных жидкостей, применяемых в России. При ведении буровых работ в последнее время отмечена тенденция к расширению применения эмульсионных растворов на углеводородной основе (ЭРУО), связанная с их известными преимуществами: инертность к разбуриваемым породам, низкая фильтрация, одинаковая физико-химическая природа углеводородной основы растворов и флюидов, насыщающих продуктивный пласт, сохранение естественной продуктивности, хорошие смазочные и антикоррозионные свойства, высокая устойчивость к рапопроявлению и сероводородной агрессии.

Однако конкретные положительные результаты, получаемые при применении даже наиболее перспективных отечественных систем ЭРУО, значительно ниже их потенциальных возможностей. Актуальной задачей является совершенствование ЭРУО для повышения эффективности строительства скважин и сложных геолого-технических условиях.

Цель работы. Повышение эффективности буровых работ и качества вскрытия продуктивных пластов путем разработки рецептуры и технологии приготовления термостабильного ЭРУО с улучшенными технологическими и экологическими характеристиками.

Основные задачи работы.

1. На основе анализа современного состояния промышленного применения ЭРУО в сложных геолого-технических условиях определить основные проблемы и направления совершенствования рецептур и технологии приготовления буровых промывочных жидкостей.

2. Оценка влияния термостойких нетоксичных нефтерастворимых полимеров (НРП) на физико-химические свойства углеводородной основы ЭРУО, технологические показатели раствора и его устойчивость к воздействию высо-

ких температур. Выявление влияния состава и свойств ЭРУО на его диспергирующую способность по отношению к глинистому шламу.

3. Исследование влияния основных компонентов ЭРУО на проницаемость призабойной зоны продуктивного пласта.

4. Разработка рецептурного ряда и технологии приготовления ЭРУО для бурения скважин и вскрытия продуктивных пластов в различных геолого-технических условиях.

5. Разработка нормативных документов и оценка промышленной эффективности разработанной системы эмульсионных растворов при бурении и ремонте скважин.

Научная новизна.

1. Теоретически обоснован метод регулирования реологических и структурно-механических свойств ЭРУО введением в него нефтерастворимого полимера - полиизобутилена. Показано, что добавка полиизобутилена увеличивает температуру вспышки дисперсионной среды в среднем на 40% и уменьшает его испаряемость в 20 раз.

2. Впервые исследовано влияние полиизобутилена и окиси кальция на диспергирующую способность эмульсионных систем на основе амино-амидных эмульгаторов. Показано, что модифицированная система обладает в 3 раза меньшей диспергирующей способностью по сравнению с исходным раствором.

3. Теоретически определен и экспериментально подтвержден эффект сохранения естественной проницаемости продуктивных пластов при воздействии компонентного состава разработанного раствора «ЭМУЛЬПОЛ».

4. Научно обоснована возможность разработки высокостабильной низкотоксичной модификации раствора на основе минеральных масел и замены в их составе хлоридов натрия и кальция биоразлагаемыми, менее токсичными солями муравьиной кислоты.

Практическая ценность.

1. На основании проведенных исследований разработан реагент НРП-20М на основе полиизобутилена с молекулярной массой 20000. Использование данного реагента позволяет оперативно регулировать реологические и фильтрационные свойства технологических эмульсионных жидкостей, повышать их стабильность, обеспечить соответствие их свойств свойствам углеводородных жидкостей с позиции сохранения фильтрационно-емкостных свойств продуктивных пластов.

2. Разработаны рецептура и технология приготовления универсальной системы «ЭМУЛЬПОЛ» с широким спектром реологических и фильтрационных свойств, обеспечивающих эффективность ее применения по различному технологическому назначению в условиях температур до 200°С в широком диапазоне плотностей от 0,84 до 2,3 г/см3. Разработана технология получения стабильных базовых концентратов раствора, что существенно упрощает процесс его приготовления на буровой.

3. Для глушения скважин в условиях АНПД, градиенты пластовых давлений которых значительно ниже потенциально достижимой минимальной плотности системы «ЭМУЛЬПОЛ», разработан блокирующий состав «ЭМУЛЬ-ПОЛ-БС», позволяющий сохранять фильтрационно-емкостные свойства продуктивного пласта и предотвращать поглощение технологической жидкости при репрессии до 15,0 МПа. В зависимости от геологических условий «ЭМУЛЬПОЛ-БС» может использоваться совместно с основной системой «ЭМУЛЬПОЛ» или с любой другой жидкостью глушения.

4. Для районов с повышенными требованиями по охране окружающей средь; разработана низкотоксичная модификация раствора «ЭМУЛЬПОЛ» -«ЭКОПОЛ» на основе недефицитных минеральных масел, являющихся продуктом крупнотоннажного производства нефтеперерабатывающих заводов, с водной фазой, минерализованной солями муравьиной кислоты.

Реализация работы в промышленности. Освоено промышленное производство полимерной композиции по ТУ 2458-027-54651030-2009 «Регулятор реологии и фильтрации НРП-20М» (СЭЗ № 31.Б0.17.245.П.000856.05.09 от 14.05.2009). Разработаны и утверждены нормативные документы на систему «ЭМУЛЬПОЛ», включающие:

- ТУ 2458-007-39743384-10 «Эмульсионный раствор на углеводородной основе «ЭМУЛЬПОЛ»;

- «ИНСТРУКЦИЯ по приготовлению и применению эмульсионного бурового раствора на углеводородной основе «ЭМУЛЬПОЛ».

В качестве жидкости глушения «ЭМУЛЬПОЛ» успешно применен в скважине №258 куст 2 Южно-Хыльчуюского месторождения. По результатам тендерных испытаний «ЭМУЛЬПОЛ» рекомендован в качестве технологической жидкости для реализации «Технологии глушения и промывки скважин с аномально низкими пластовыми давлениями (АНПД) на шельфе Вьетнама». В качестве промывочной жидкости «ЭМУЛЬПОЛ» включен в проекты на бурение глубоких высокотемпературных скважин №1016 Андреевская и №2 Сафа-ралинская.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на: 6-ой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России «Новые технологии в газовой промышленности (ГАЗПРОМ, Москва, РГУ нефти и газа им. Губкина, 2005г.), 60-ой Межвузовской студенческой научной конференции «Нефть и газ-2006», (Москва, РГУ нефти и газа им. Губкина), 4-ой, 5-ой Всероссийской научно-практической конференции «Нефтепромысловая химия» (Москва, РГУ нефти и газа им. Губкина, 2008, 2010г.), УШ-ой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности» (Москва, РГУ нефти и газа им. Губкина, 2009г.), XIII, XIV, XV Международной научно-практической конференции «Эфиры целлюлозы и крахмала. Опыт и особенности применения на предприятиях нефтегазового

комплекса» (Суздаль, 2009, 2010, 2011 гг.), VII и VIII-ой Всероссийской науч-ио-технической конференции «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса в России», посвященной 80-летию РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина (Москва, 2010).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 24 печатных работах, в том числе, в 5 статьях в печатных изданиях, включенных в перечень ВАК, в 14 тезисах докладов и 5 материалах научно-технических конференций, в одном патенте на изобретение.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, основных выводов и рекомендаций, списка литературы, содержащего 113 наименований и приложения. Она изложена на 196 страницах, содержит 12 рисунков, 50 таблиц и 7 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведен анализ современного состояния, проблем промышленного применения и экологии эмульсионных растворов при бурении и ремонте скважин в сложных геологических условиях. Определены основные направления их совершенствования, сформулированы цель и задачи исследования.

В решении данных вопросов существенное значение имеют работы А.Н. Ананьева, O.K. Ангелопуло, А.Я. Бражникова, Л.П. Вахрушева, В.Н. Глущенко, К.Ф. Жигача, B.JI. Заворотного, Б.В. Касперского, Н.М. Касьянова, Э.Г. Кисте-ра, М.И. Липкеса, К.Л. Минхайрова, Л.К. Мухина, Э.Н. Оголихина, А.И. Пень-кова, Э.С. Сенкевича, В.И. Токунова, И.З. Файнштейна, И.В. Хейфеца, С.Н. Шишкова, P. Kenny, F. Mclean, S. Young, W. White и др.

Рассмотрены основные достоинства эмульсионных растворов и определены области их наиболее рационального применения. Показано, что применение ЭРУО в мировой практике обеспечило успешную проводку скважин в условиях, где применение водных систем не представлялось возможным или было экономически нецелесообразно. Первые отечественные классические варианты ЭРУО («Эмультон» и «Эмульгар»), разработанные в конце 80-х годов, явились конкурентоспособными на мировом рынке и обеспечили успешную проводку скважин в различных горно-геологических условиях. В то же время, прекращение производства в России синтетических жирных кислот, кубовые остатки которых являлись составной частью основного эмульгатора системы «Эмульгар», приостановили применение данного раствора, а положительные результаты, получаемые при использовании системы «Эмультон», оказались значительно ниже потенциальных возможностей углеводородных буровых растворов.

Серьезные проблемы, связанные с регулированием технологических свойств раствора «Эмультон», возникали при бурении наклонно-направленных

скважин большого диаметра в неустойчивых глинистых отложениях (№1 Араб-ляр-море южное, №1 Западно-Белокаменная). Недостаточная выносящая способность раствора, невозможность оперативного регулирования его реологических свойств, высокая степень диспергирования выбуренного шлама приводили к постоянным затяжкам и посадкам бурильного инструмента, увеличению количества нерегламентированных промывок скважины и наработке больших объемов раствора. Анализ результатов проводки скважин показывает, что для повышения эффективности применения ЭРУО при бурении в этих условиях необходимы системы с практически нулевой фильтрацией и повышенной вязкостью фильтрата. Компонентный состав раствора должен предупреждать диспергирование выбуренного шлама и позволять оперативно готовить вязкие пачки для выноса его скоплений. Фактические данные по расходу материалов иа обработку раствора «Эмультон» по пробуренным скважинам свидетельствуют о важности проблемы и необходимости ее решения.

Традиционная оценка растворов на углеводородной основе как систем обеспечивающих потенциально возможные дебиты скважин, однозначна и следует из их физико-химической природы.

Однако данное утверждение, в полной мере соответствующее углеводородным жидкостям, далеко не всегда распространяется на используемые в настоящее время для первичного вскрытия или глушения скважин при КРС составы эмульсий. Практический опыт применения эмульсионных систем показывает, что характер их взаимодействия с продуктивным пластом отличается от углеводородных растворов и недооценка этого факта в большинстве случаев не приводит к ожидаемым результатам. Положение усугубляется при бурении или глушении сильно дренированных пластов, когда градиенты пластовых давлений значительно ниже минимально возможных плотностей инвертиых эмульсий.

Требует своего решения и проблема повышения термостойкости известной системы «Эмультон», которая ограничена температурой 150°С. Это связано с необходимостью в настоящее время бурения поисковых скважин с целью выявления перспективных глубоко залегающих горизонтов, забойная температура в которых превышает 180°С, или в случае проведения ремонтных работ в старом фонде в аналогичных условиях. Ограниченность рецептурного состава системы «Эмультон» создает определенные трудности при необходимости поддержания высокого соотношения фаз углеводород-вода. Это связано: во-первых, с проведением технологических операций в скважинах в условиях АНПД, когда требуются системы с плотностью менее 0,85 г/см3; во-вторых, с бурением для отбора керна в продуктивных отложениях с целью подтверждения запасов месторождения, когда требуются системы с содержанием водного компонента менее 3,0 %.

Несмотря на ужесточающиеся природоохранные требования, неоспоримые достоинства ЭРУО не позволяют отказаться от буровых растворов данного

типа. Для сохранения их в арсенале эффективных средств современного бурения необходимо резкое снижение их токсичности при одновременном совершенствовании технологии применения и решении проблем утилизации и захоронения отходов. Однако, разработанные отечественные низкотоксичные системы ЭРУО на основе минеральных масел и синтетических органических жидкостей не нашли применения у нас в стране вследствие дефицитности и высокой стоимости используемых углеводородных жидкостей.

Изменение конъюнктуры отечественного рынка производства различных органических жидкостей требует проведения дополнительных исследований с целью разработки недорогих низкотоксичных ЭРУО, отвечающих всем требованиям, предъявляемым к буровым растворам, позволяющих полностью реализовать только им присущие достоинства при бурении скважин в различных гсолого-технических и климатических условиях.

Глава вторая посвящена комплексному решению проблемы повышения эффективности применения раствора «Эмультон» при бурении скважин, в том числе, наклонно-направленных, в сложных геологических условиях. Дано обоснование необходимости использования в составе ЭРУО нефтерастворимых полимеров (НРП), исследованы основные закономерности их действия в составе растворов различного технологического назначения, скорректирован состав системы с целью снижения ее диспергирующего действия на выбуренный глинистый шлам.

Основные требования к НРП:

- растворимость в различных углеводородах без высоких сдвиговых деформаций;

- совместимость со всеми основными компонентами раствора и технологичность в применении;

- нетоксичность, стабильность при температурах не менее 200°С, устойчивость к воздействию солей и кислых газов.

Проведенные поисковые исследования показали, что наиболее полно вышеперечисленным требованиям отвечают каучукоподобные полимеры - поли-изобутилены (ПИБ) со структурной формулой [СН2=С(СНз)2]п, где п= 20 -200-103. Данные полимеры широко применяются в качестве присадок к смазочным маслам различного назначения для повышения индекса вязкости и снижения ее температурной зависимости. Они растворимы в алифатических, ароматических и циклических углеводородах. Относятся к 4-ому классу опасности по ГОСТ 12.1.007.

Предварительными тестовыми исследованиями установлено, что все исследуемые марки ПИБ обладают стабилизирующим действием на простые эмульсии, однако, наиболее перспективны полиизобутилены с молекулярной массой 20000, сочетающие в себе эффективность и технологичность товарного продукта. Для практического применения рекомендован 20%-й раствор в индустриальном масле И-20А под торговой маркой НРП-20М. Выбор данного масла

обусловлен его доступностью, низкой вязкостью и отсутствием присадок. В товарном виде полиизобутилен хорошо растворим в углеводородных жидкостях, в том числе, при низких температурах и сдвиге.

Результаты исследований влияния НРП-20М на физико-химические свойства дизельного топлива, представленные в таблице 1, показывают, что его ввод в количестве 2,0-4,0 % позволяет на 35-45 % повысить температуру вспышки и в 12-24 раза снизить его испаряемость, что существенно повышает безопасность работ на стадии приготовления и при высокой температуре выходящего из скважины раствора.

Эффективность НРП-20М оценивали по его влиянию на технологические свойства и стабильность модельной эмульсии и на эмульсионном растворе по компонентному составу, соответствующему рецептуре раствора «Эмультон». В качестве модельной эмульсии использовали систему: дизельное топливо (50%), эмульгатор MP (2,5%), насыщенный водный раствор хлорида натрия (47,5 %), наиболее часто применяемую в различных технологических операциях при бурении и ремонте скважин. Эмульсионные растворы готовили на лабораторной мешалке "Hamilton Веас1г"при 13000-18000 об/мин.

Таблица 1 - Влияние НРП-20М на физико-химические свойства дизель-

ного топлива зимнего.

Тип углеводородной среды и количество полимера, Температура вспыш ки, °С Температура начала кипения, °С Температура углеводородной среды, °С Давление, насыщения, мм.рт.ст. Интенсивность испарения, г/с.м2 при скорости воздуха, м/с

0,5 1,0

Дизельное топливо зимнее 36 158,0 40 5,260 0,2057 0,2880

60 15,885 0,4141 0,6212

2,0% НРП-20М 49 215,0 40 0,435 0,0175 0,0245

60 1,312 0,0352 0,0528

4,0% НРП-20М 53 232,6 40 0,201 0,0083 0,0118

60 0,608 0,0167 0,0251

Критериями оценки эффективности НРП-20М служили показатели: реологических свойств (т],,,,, Пэф,п> то, Кс= т0/г)пл, СНС]/ю), фильтрации (Ф,), электростабильности (Э), коэффициента трения (Ктр). В ряде случаев для выяснения механизма физико-химических процессов дополнительно измеряли коэффициенты увлажняющей (По) и диспергирующей (Д0) способностей эмульсионных растворов. Для замера основных показателей свойств растворов использовали приборы фирмы «ОПТЕ»: вискозиметры модели 800 и 1100, фильтр-пресс НРНТ, реторту, анализатор стабильности эмульсии, тестер предельного давления и смазывающей способности.

Результаты исследований влияния НРП-20М на технологические свойства модельной эмульсии, представленные на рисунке 2 и в таблице 2, позволяют полностью оценить достоинства полимерного реагента и выявить механизм его действия.

Роль НРП-20М в составе эмульсии многофункциональна и зависит от способа его ввода. Это регулирование реологических свойств (т|пл,т0, СНСщо) и выносящей способности эмульсии (Кс), снижение фильтрации (Ф), в том числе, при высоких температурах, улучшение смазочных свойств (Ктр), повышение аг-регативной устойчивости (Э) и общей термостабильности до 110°С.

Рис. 1 - Влияние НРП-20М на реологические свойства модельной эмульсии.

1 - пластическая вязкость (г1пл), 2 - динамическое напряжение сдвига (т0), 3 -коэффициент коагуляционного структурообразования (Кс).

Таблица 2 - Влияние НРП-20М на технологические показатели свойств модельных эмульсий

Количество НРП-20М, % Способ ввода НРП-20М Показатели свойств

э, В веЬ/ю, дПа Ф, см3/30мин Ктр, (АР!)

20°С 110°С 20°С 110°С

- - 433 5/5 0/0 28 дт. +вода 0,121

2,0 В дисперсионную среду 935 30/35 10/15 11 0,087

4,0 1051 40/45 20/25 3,5 5,5 0,079

2,0 В готовую эмульсию 550 27/32 10/15 7,0 11 0,087

Можно предположить, что длинноцепочечные молекулы полиизобути-лена, с одной стороны, находясь вместе с молекулами эмульгатора в межфазном адсорбционном слое, повышают его прочность и эластичность, а с другой -образуют в дисперсионной среде структурный каркас, обеспечивающий повышение ее структурно-реологических свойств.

Полученные закономерности полностью сохраняются и в растворе «Эмультон». Ввод в состав раствора НРП-20М позволил увеличить термостойкость раствора до 200°С, улучшить его реологические и фильтрационные характеристики, значительно расширить диапазон возможных плотностей эмульсионных систем (таблицы 3 и 4). В отличие от органобентонита повышение структурно-реологических свойств системы вводом НРП-20М не сопровождается ростом содержания в ней твердой фазы и соответственно плотности.

Таблица 3 - Показатели свойств растворов до и после термостатирования

№№ п/п Показатели свойств

Эмультон Эмультон+2% НРП-20М

Р. г/см3 Лпл, мПас Т0, дПа СНС1/Ю, дПа э, В Р. г/см3 Лпл, мПас То, дПа СНСщо, дПа э, В

1 1,0 14 87 16/16 430 1,0 18 118 33/36 837

2 2,3 68 195 87/90 333 2,3 71 220 108/114 1134

Термостатирование при 200 °С

1 1,0 3 3 0/0 85 1,0 27 134 21/24 626

2 2,3 Деструкция раствора 13 2,3 90 225 54/60 456

Таблица 4 - Показатели реологических свойств растворов (р=0,95 г/см3) при различных температурах__

Температура, °С Эмультон Эмультон+НРП-20М

Лпл, мПас т0, дПа Ф, см3/30мин Лпл, мПас т0, дПа Ф, см3/ЗОмин

49 16 40 2,6 21 64 0,8

80 14 39 3,4 19 57 1,2

110 11 39 4,8 16 93 1,8

150 , 3 3 12,4 14 112 3,2

200 Деструкция раствора 12 93 9,4

Предварительно для всех исследуемых систем кроме стандартных параметров определяли коэффициент увлажняющей способности (По).

Диспергирующая способность (Д), выраженная в процентах, определялась отношением веса шлама, перешедшего в раствор, к исходному весу шлама.

Для оценки уровня диспергирующей способности системы «Эмультон» в качестве базы сравнения использовали пресную воду и насыщенный рассол хлорида натрия, а также водную систему «Эврисин», имеющую отрицательное

значение коэффициента увлажняющей способности (По). Анализ представленных в таблице 5 результатов показывает, что используемые образцы шлама практически полностью диспергируются в пресной воде и рассоле, причем, одинаковый уровень значений этого показателя ( 91,92 и 91,6 % соответственно), а также высокое значение показателя Д (79,0 и 64,0%) при отрицательном По у раствора «Эврисин» свидетельствует о незначительности влияния гидратации на процесс диспергирования шлама.

Таблица 5 - Увлажняющая (Ц) и диспергирующая способности (Д) исследуемых растворов для глинистых шламов различного состава_

Состав исследуе- По, Диспергирующая способность - Д, %

мых растворов см/час шлам №1 шлам №2

Пресная вода 19,7 91,92 85,05

Рассол №С1 12,3 91,60 81,65

«Эмультон»

(ТЧаС1) -0,12 54,25 52,35

«Эмультон»

(СаС12) -0,40 52,68 51,21

+2% НРП-20М -0,37 43,95 40,37

+3%СаО -0,34 15,8 14,9

«Эмультон НТ»

(СаС12) -0,31 42,89 41,25

+2% НРП-20М -0,32 35,3 33,7

+3% СаО -0,33 15,1 14,4

«Эврисин» -0,49 79,0 64,0

Базовый раствор «Эмультон» обладает достаточно высокой диспергирующей способностью (Д=51,0-53,0%), хотя общий уровень этого показателя значительно ниже, чем у раствора «Эврисин». Влияние вида и степени минерализации водной фазы на этот показатель незначительно. Замена в составе раствора дизельного топлива на менее токсичную углеводородную жидкость (Эмультон НТ) и ввод в его состав НРП-20М позволяют на 15-17 % снизить показатель диспергирующей способности раствора, однако, наибольший эффект в снижении диспергирующего воздействия (Д < 15 %) достигается дополнительным вводом на определенном этапе приготовления эмульсии окиси кальция. Вероятно, это связано с нейтрализацией свободных органических кислот в составе углеводородной основы раствора, эмульгатора и гидрофобизатора, являющихся природными активаторами диспергирующего действия ЭРУО.

Проведенные исследования легли в основу разработки усовершенствованной системы ЭРУО - «ЭМУЛЬПОЛ». Необходимость в использовании углеводородных систем возникает при бурении нижних интервалов скважины, обычно на больших глубинах. При переходе на их промывку требуется разовое

приготовление больших объемов раствора определенной плотности. В связи с этим, для практического применения разработанная система «ЭМУЛЬПОЛ» представлена в виде рецептурного ряда растворов различной плотиости. Разработана технология приготовления растворов, позволяющая получать фиксированные объемы растворов заданной плотности с требуемыми показателями реологических и фильтрационных свойств. Для районов с централизованным приготовлением буровых растворов или других технологических жидкостей различного назначения разработана технология приготовления высокостабильных базовых концентратов ЭРУО, что существенно упрощает процесс приготовления раствора в условиях действующей скважины.

В третьей главе изложены результаты экспериментальных исследований по оценке влияния системы «ЭМУЛЬПОЛ» на фильтрационно-емкостные характеристики призабойной зоны пласта.

Эксперименты были проведены на усовершенствованной установке по исследованию проницаемости кернов в соответствии с РД 39-0147001-742-92 в интервале температур 20-90 °С при репрессии 3,0 МПа на искусственном керне, высокопроницаемом песчанике и реальном керновом материале из продуктивных отложений Южно-Харампурского, Кислорского, Средне-Хулымского и ряда других нефтегазовых продуктивных месторождений

На искусственном и эталонных образцах естественного керна исследования предусматривали оценку раздельного влияния компонентов ЭРУО, в том числе, НРП-20М, на показатели качества вскрытия. На натурных образцах кернов исследовали реальные рецептуры эмульсионных (ВИЭР, ИЭР-ДФ, Эмуль-тон, ЭМУЛЬПОЛ) и водных (полимер-глинистые, биополимерные, полипропи-ленгликолевые) растворов, используемых или предлагаемые для вскрытия продуктивных пластов на конкретном месторождении.

Эффективность исследуемых систем оценивалась по коэффициенту восстановления проницаемости ф), являющемуся интегральным критерием качества жидкости, контактирующей с продуктивным пластом и по показателю ОП (отношение продуктивности приствольной и удаленной зоны пласта), характеризующим продуктивность скважин.

Анализ представленных в таблицах б и 7 обобщенных результатов исследования различных систем показывает, что:

- упрощенные варианты эмульсионных растворов (ВИЭР, ИЭР-ДФ) не отвечают требованиям, предъявляемым к качеству вскрытия продуктивных пластов;

- ввод в состав простых эмульсий реагента НРП-20М существенно повышает значения (5 и ОП, что особенно важно при первичном вскрытии продуктивных пластов или глушении скважин в неосложненных условиях;

- наибольший эффект достигается при использовании полного комплекса специальных материалов, предусмотренных в системе «ЭМУЛЬПОЛ», по-

зволяющих придать ей свойства углеводородной жидкости с точки зрения сохранения коллекторских свойств продуктивного пласта.

Для бурения или глушения скважин, градиенты пластовых давлений которых значительно ниже потенциальных возможностей эмульсионных систем с точки зрения обеспечения требуемой репрессии на пласт, разработан высоковязкий блокирующий состав - ЭМУЛЬПОЛ-БС».

Таблица 6 - Влияние компонентного состава ЭРУО на качество вскрытия продуктивных пластов (1=80°С)

№ Отличительные Показатели качества вскрытия

особенности I группа II группа

ЭРУО км Яф Р ОП км Яф Р ОП

мкм2 м % 5сут мкм2 м % 5сут

1 ВИЭР 0,00445 0,39 32,8 0,68 0,0180 0,68 3,3 0,39

2 ВИЭР 0,00474 0,35 45,9 0,83 0,0168 0,48 6,8 0,68

НРП-20М

3 Эмультон 0,00401 0,26 64,8 0,93 0,0212 0,26 21,5 0,84

4 ЭМУЛЬПОЛ 0,00653 0,26 80,9 0,99 0,0169 0,26 75,6 0,98

Таблица.7 - Обобщенные результаты оценки блокирующего воздействия

№№ п/п Тип жидкости Ф\ см3/30 мин км мкм2 Уф м/с Р % ОП

Кислорское месторождение, пласт Юз

2 ВИЭР 8,52 0,0254 4,l-10"s 26,3 0,406

4 Эмультон 1,7 0,0221 4,4-10"° 60,4 0,919

5 ЭМУЛЬПОЛ 0,42 0,0258 1,2-10"° 67,8 0,953

Средне-Хулымское месторождение, пласт АС-10

6 Базовый раствор (<з=32 мН м) 19,2 0,0425 ІД-ІО"6 73,1 0,845

7 Flo-Pro (а=26 мН м) 32,8 0,344 1,8-10'6 70,6 0,835

8 ППГР (о=4 мН м) 14,1 0,0353 3,2-10"6 79,0 0,875

9 Фильтрат ППГР - 0,0387 - 77,4 -

10 ИЭР-ДФ 6,39 0,0442 2,МО"6 69,7 0,825

11 Эмультон 1,7 0,0311 2,8'10"' 81,2 0,925

12 ЭМУЛЬПОЛ 0,42 0,0443 1,0-КГ' 90,0 0,985

Основным отличием данного тампона от стандартной жидкости глушения является повышенное содержание НРП-20М и водной фазы. Оценка блокирующей способности тампона при репрессии 15,0 МПа, проведенная на натурном образце керна, представленного песчаником (таблица 8), показала, что он обладает всеми достоинствами основного раствора с точки зрения сохранения фильтрационно-емкостных характеристик продуктивного пласта. Ожидаемая потеря тампона при стандартных параметрах перфорации не превышает 0,34 м3/сут. Важным достоинством данного тампона является возможность проведения периодических промывок скважины во время проведения ремонтных работ.

Таблица 8 - Оценка технологичности тампона при повышенной репрессии на пласт.

Параметры эксперимента Результаты измерений и расчетов

Проницаемость керна по маслу, мкм2 0,038 Скорость фильтрации, м/с 7,87' 10"'

Величина противодавления на керн, МПа 4,2 Коэффициент восстановления проницаемости, % 68,4

Давление обжима керна, МПа 20,0 Ожидаемая продуктивность (ОП) 0,978

Давление прокачки тампона, мПа 19,2

Репрессия на керн, МПа 15,0 Ожидаемая потеря ЖГ-ЭРУО в скважине за одни сутки, м3 0,34

Рабочая температура, °С 85

Время прокачки тампона, ч 4,5

Показатели свойств неутяжеленного тампона

Плотность, г/см3 0,94 Динамическое напряжение сдвига, дПа 310

Пластическая вязкость, мПа-с 110

Фильтрация, см3/30 мин 0 Электростабильность, В 550

Глава четвертая посвящена решению экологических проблем, связанных с применением эмульсионных систем, путем разработки новой модификации системы «ЭКОПОЛ». Исследования проведены на маслах (или их основах) различного технологического назначения, являющихся продуктами крупнотоннажного производства ряда нефтеперерабатывающих заводов. Перечень масел и их физико-химические свойства представлены в таблице 9.

Сложность проблемы разработки ЭРУО на основе таких жидкостей состоит в том, что низкое содержание или отсутствие соединений ароматического ряда тормозит и резко ограничивает сольватацию тонкодисперсных наполнителей и степень диспергирования эмульгаторов и органофильных структурообра-зователей - основных факторов, определяющих стабильность разрабатываемой системы.

Для оценки влияния сольватирующего действия углеводородной среды и степени сольватации твердой фазы применили метод непрерывного взвешива-

ния торсионными весами осадка, образуемого в малоконцентрированной суспензии, исключающей взаимодействие между частицами. При этом с целью учета влияния различия в плотностях жидкостей и их вязкостей пользовались показателем "приведенной" массы, рассчитываемой по формуле, выведенной из закона Стокса:

Рпр=Р-11/Др

где Р - масса осадка, г)- динамическая вязкость жидкости, Др- разность плотностей твердой фазы и жидкости.

Таблица 9 - Физико-химические свойства минеральных масел

Наименование Виды масел

показателя Основа Основа Основа ВМГЗ «Раунд- *Компо

РЖ-8у СОЖ промывочного масла ВМГЗ» -нент ДТ-ІІ

Вязкость кине-

матическая

2 0°С 6,948 2,350 - - - 4,28

50°С - - 8,90 10,66 6,98 -

Температура 120 82 176 139 130 110

вспышки, °С

Температура за- -10 -45 -60 -64 -45 -38

стывания, °С

Плотность, кг/м3 840,9 809,1 881,3 863,6 865 824

Массовая доля 0,02 0,02 - - - 0,095

серы, % не более

Класс опасности IV IV III IV IV IV

♦-компонент дизельного топлива с содержанием ароматических углеводородов 0,1-1,0%.

Кривые седиментации баритового утяжелителя и органобентонита «Ор-бент-91» в различных углеводородных средах представлены на рис. 2. Их характер показывает увеличение скорости осаждения барита (рис. 2а) при переходе от дизельного топлива к минеральным маслам, что в полной мере связано с ухудшением их сольватирующей способности. При седиментации органофиль-ного бентонита (рис. 26) зависимость скорости седиментации от вида углеводородной жидкости прослеживается четко и значимо. Очевидно, основную роль здесь играет степень диспергирования и пептизации органоглины под воздействием ароматических соединений в дизельном топливе. Снижение эффективности «Орбент-91» как структурообразователя в минеральных маслах наглядно демонстрируют результаты исследований, представленные на рисунке 3.

Исследования реологических свойств суспензий различных органофиль-ных глин в минеральных маслах (рис. 4), представленных фирмами ООО «Кон-сит-А», ЗАО «Химеко-ГАНГ» - Орбент-91 и «Элементис Спешиалтис» марки «ВЕЫТОЫЕ», маркированных как 920, 34 и 38 показали, что наиболее эффективны образцы, синтезированные классическим способом (34 и 38).

800 -і —г— —і-і 250

Г _200

700 600

S 500 I —* I150

П. I / х ,п.

| 400

1 300 ш/ ----- d

Я ІИ/ -р-х- «V -Ч .

оЮО

о

200

100 ----1-- о

0 5 10 15 20 0 5 10 15 20 25

Время седиментации, мин Время седиментации, мин

Рис. 2 - Влияние вида углеводородной среды на скорость седиментации: а) барита; б) органофильного бентонита

!

і

і

200 180 160 140 120 100 80 60 40 20

л н

и

0

к а к

1

Й

Р £ V

■е-

I" о

0 100 200 300 Скорость сдвига, с-1

Рис. 3 - Эффективная вязкость суспензии «Орбент-91» в различных углеводородных средах.

1000

V 900

3 800

S 700

0 600

1 500 оз

к 400

300

# ■е-

Т\

100 о

О 100 200 300 400 Скорость сдвига, с1

Рис. 4 - Эффективная вязкость суспензий различных органобентонитов в ДТ-П

В тоже время, решение проблемы диспергирования органофильных глин в низкоароматических средах требует более высоких сдвиговых деформаций, ввода в систему специальных полярных активаторов, нефтерастворимых полимеров.

Проведенные исследования легли в основу разработки низкотоксичной модификации раствора ЭМУЛЫТОЛ» с различной углеводородной основой.

Таблица 10 - Влияние соотношения фаз эмульсии на показатели свойств ЭРУО с различной углеводородной основой_

Вид уг- Соотношение Величина показатели свойств

леводо- фаз углеводо- Ктр Ф ф

родной род:вода Р., Лил* Gel, э, по 20°С 110°С

среды эмульсии г/см мПа-с дПа дПа В АНИ см3 см3

ДАДТ 70:30 0,95 10 85 10 1070 - - -

60:40 0,98 18 102 24 923 0,09 1,0 2,7

50:50 1,04 32 130 42 750 - - -

СОЖ 70:30 0,93 7 34 5 870 - - -

60:40 0,96 13 35 12 700 - - -

55:45 0,98 20 71 20 647 j 0,068 2,0 3,5

50:50 1,02 29 98 34 597 - - -

РЖ-8у 70:30 0,95 16 35 10 888 - - -

65:35 0,97 19 49 10 786 - - -

60:40 0,98 26 63 20 726 0,035 1,1 3,0

РВМГЗ 75:25 0,95 20 51 12 997 - - -

70:30 0,96 28 68 15 940 0,048 0,8 4,0

ВМГЗ 85:15 0,91 20 42 18 1578 - - -

80:20 0,93 22 65 19 1385 0,032 1,3 4,2

75:25 0,95 27 73 19 1213 - - -

ОПМ 80:20 0,94 25 69 30 1778 0,032 1,3 4,2

Анализ результатов исследований (таблица 10) показывает, что все представленные образцы масел могут быть использованы в качестве низкотоксичной углеводородной основы ЭРУО, однако, каждому маслу соответствует свое оптимальное соотношение фаз эмульсии, находящееся в прямой зависимости от его вязкости. Использование низковязких масел наиболее предпочтительно, так как растворы на их основе имеют оптимальные соотношения вязкостных и структурных показателей свойств при более низком соотношении фаз У:В и обеспечивают возможность утяжеления растворов до высоких плотностей. Растворы на основе минеральных масел обладают высокой агрегативной устойчивостью, о чем свидетельствует показатель электростабильности, и сохраняют реологические показатели свойств в требуемых пределах при температурах до 150°С (Таблица 11).

Замена в составе водной фазы эмульсии хлоридов натрия и кальция на биоразлагаемые и менее токсичные формиаты натрия и калия (таблица 12) не приводит к существенному изменению технологических показателей свойств.

Таблица 11 Влияние температуры на показатели реологических свойств раствора с различной минеральной основой_

Значения показателей свойств растворов с различной углеводородной основой

Темпе- Основа РЖ -8у вмгз Раунд-ВМГЗ Основа СОЖ

ратура, Лпл То веі Лил То беї Лпл То веі Лш То Се!

°С мПа-с дПа дПа мПа-с дПа дПа мПа-с дПа дПа мПа-с дПа дПа

49 27 68 20 26 49 15 29 83 22 20 71 20

80 18 44 15 16 45 29 19 48 19 15 38 14

110 13 33 20 10 40 27 13 28 10 11 50 42

150 И 34 22 5 18 21 9 19 10 10 64 43

Таблица 12 - Технологические показатели свойств низкотоксичных рас-

творов «ЭМУЛЬПОЛ» с водной фазой, минерализованной различными солями

Тип углево- Тип ми- Ф, см3/30мин По, Лпл, то, э, Р Д

дородной основы нерализации водной фазы 20°С 110°С см/ч мПас дПа В % %

ЭМУЛЬПОЛ N301 0,8 1,6 -0,132 18 127 987 75,6 17,3

Диз. топливо СаС12 1,2 2,1 -0,197 16 97 857 94,0 15,8

ЭМУЛЬПОЛ №С1 1,1 3 -0,165 23 73 731 83,3 16,7

РЖ-8у №СООН 1,3 2,7 -0,193 30 115 647 84,5 15,6

ЭМУЛЬПОЛ СаСЬ 0,8 2,4 -0,204 29 98 680 79,4 17,4

СОЖ КСООН 1,4 3,4 -0,270 35 128 522 81,3 16,3

ЭМУЛЬПОЛ СаСЬ 0,8 4 -0,204 26 65 1050 91,3 13,7

вмгз ЫаСООН 1,1 2,5 -0,21 33 93 930 94,7 12,4

Увеличение реологических показателей свойств растворов легко регулируется изменением соотношения фаз эмульсии, а некоторое снижение показателя электростабильности находится в допустимых пределах. Проведенные специальные исследования по оценке влияния системы «ЭКОПОЛ» на коэффициент восстановления проницаемости (Р) и диспергирующую способность по отношению к глинистому шламу (Д) показали, что по данным показателям она не уступает системе на основе дизельного топлива.

Проведенные исследования и полученные обобщенные технологические характеристики системы «ЭМУЛЬПОЛ» позволяют определить область ее наиболее перспективного применения, а именно:

- бурение глубоких скважин в сложных геолого-технических условиях (высокие температуры до 200°С, АВПД, неустойчивые глинистые сланцы, со-леносные отложения);

- бурение пологих и горизонтальных участков скважин в неустойчивых отложениях, в том числе, с большим (5-7 км) отклонением ствола от вертикали;

- бурение соленосных отложений в интервалах нормальных или пониженных пластовых давлений, когда использование соленасыщенных водных систем приводит к катастрофическим поглощениям;

- бурение или глушение скважин в интервалах сильно дренированных пластов, когда градиенты пластовых давлений значительно ниже минимально возможных плотностей для инвертных эмульсий (ЭМУЛЬПОЛ-БС);

- бурение поисковых скважин с отбором керна в продуктивных отложениях с целью подтверждения запасов месторождения (ограничение по содержанию воды в растворе <3,0 %);

- вскрытие продуктивных пластов с низкими коллекторскими свойствами в условиях, где реальные дебиты скважин при использовании водных систем или упрощенных вариантов ЭРУО значительно ниже потенциально возможных;

- бурение скважин в вышеперечисленных условиях в районах с повышенными требованиями к охране окружающей среды («ЭКОПОЛ»).

В пятой главе приведены результаты тендерных испытаний системы «ЭМУЛЬПОЛ» для реализации «Технологии глушения и промывки скважин с аномально низкими пластовыми давлениями (АНПД) на шельфе Вьетнама». Испытания проходили в два этапа. На первом этапе определяли соответствие технологических показателей техническим требованиям до и после термоста-тирования при температуре 140°С в течение 16 часов. На втором этапе исследовали влияние испытуемых жидкостей на коэффициент восстановления проницаемости и коэффициент поглощения натурных образцов кернового материала. По результатам испытаний система «ЭМУЛЬПОЛ» была рекомендована к использованию в качестве жидкости глушения скважин на месторождениях СП «Вьетсовпетро». Приведены результаты успешного использования данной системы в качестве блокирующего состава при глушении скважины №258 куст 2 Южно-Хыльчуюского месторождения (ООО «Нарьянмарнефтегаз»), что позволило успешно провести капитальный ремонт скважины. Система «ЭМУЛЬПОЛ» включена в проекты на бурение глубоких поисковых скважин №2 Сафа-ралинская (ОАО «Дагнефтегаз») и №1016 Андреевская (ОАО «Грознефтегаз»).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Поисковыми исследованиями выделена группа нефтерастворимых полимеров на основе полиизобутиленов, способных повышать термостойкость эмульсионных систем, целенаправленно регулировать их реологические и фильтрационные характеристики. Для практического применения разработан реагент НРП-20М, представляющий собой раствор полиизобутилена с молекулярной массой 20000 в индустриальном масле И-20А. Освоено его промышленное производство.

2. На основании проведенных исследований разработана эмульсионная система «ЭМУЛЬПОЛ» термостабильная до 200°С с широким диапазоном плотностей и улучшенными реологическими и фильтрационными характеристиками. Применение данной системы позволяет существенно повысить эффективность бурения пологих и горизонтальных скважин за счет хорошей транспортирующей способности раствора и низкого диспергирующего действия по отношению к выбуренному шламу.

3. Экспериментально установлены основные закономерности влияния компонентного состава эмульсионных растворов на фильтрационно-емкостные характеристики продуктивных пластов. Доказано, что применение системы «ЭМУЛЬПОЛ» обеспечивает сохранение естественной проницаемости продуктивных пластов.

4. Для бурения или глушения скважин в условиях АНПД на основе системы «ЭМУЛЬПОЛ» разработан высоковязкий блокирующий состав, предотвращающий поглощение жидкости глушения в условиях репрессии на продуктивный пласт до 15,0 МПа, обеспечивающий максимальное сохранение его коллекторских свойств.

5. Для районов с повышенными требованиями по охране окружающей среды разработаны низкотоксичные модификации раствора - «ЭКОПОЛ» на основе недефицитных минеральных масел, с водной фазой, минерализованной менее токсичными и биоразлагаемыми солями муравьиной кислоты.

6. Разработана нормативная документация на реагент НРП-20М (ТУ 2458027-54651030-2009, СЭЗ № 31.Б0.17.245.П.000856.05.09) и на раствор «ЭМУЛЬПОЛ» (ТУ 2458-007-39743384-10, Инструкция по приготовлению и применению раствора). Эффективность системы «ЭМУЛЬПОЛ» в качестве жидкости глушения при КРС подтверждена результатами промысловых испытаний. «ЭМУЛЬПОЛ» включен в проекты на бурение глубоких высокотемпературных скважин №1016 Андреевская и №2 Сафаралинская.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Шишков B.C. Современные системы буровых растворов на неводной основе// Новые технологии в газовой промышленности. Тезисы докладов шестой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России. - Москва: РГУ нефти и газа им. Губкина, 2005, С. 27.

2. Оценка качества органоглин - компонентов буровых растворов на углеводородной основе/ О.И. Бенцианов., Т.С. Ляшенко, A.B. Заворотный, A.B. Сушко-ва, B.C. Шишков// Новые технологии в газовой промышленности. Тезисы докладов шестой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и

студентов по проблемам газовой промышленности России. - Москва: РГУ нефти и газа им. Губкина, 2005, С. 11.

3 Шишков B.C. Исследования влияния эмульсионных растворов на неводной основе на качество вскрытия продуктивных пластов// Нефть и газ 2006. Тезисы докладов 60-ой Межвузовской студенческой конференции. - Москва: РГУ нефти и газа им. Губкина, 2006.

4. Шишков B.C. Оценка эффективности реагентов гидрофобизаторов буровых растворов на углеводородной основе// Нефть и газ 2006. Тезисы докладов 60-ой Межвузовской студенческой конференции. - Москва: РГУ нефти и газа им. Губкина, 2006.

5. Исследование влияния нефтерастворимых полимеров на технологические свойства эмульсионных растворов / A.B. Заворотный, Е.Д. Демяновский, И.И. Быков, B.C. Шишков // Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России». Тезисы докладов VII-ой Всероссийской научно-технической конференции - Москва,: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2007, Секция. 1-4, -С. 103.

6. Буровые растворы на неводной основе. Проблемы, перспективы развития и область применения. / С.Н. Шишков, В.Н Кошелев, B.C. Шишков, B.JI. Заворотный, // СНТЖ «Бурение и нефть». -2008. -№3. - С.26-29.

7. Шишков B.C., Заворотный В.Л., Шишков С.Н. Исследование влияния нефтерастворимых полимеров на технологические свойства и стабильность эмульсионных буровых растворов на углеводородной основе// Нефтепромысловая химия. Тезисы докладов четвертой всероссийской научно-практической конференции. -Москва: РГУ нефти и газа им. Губкина. 2008. - С. 9-11.

8. Оценка качества растворов для закачивания скважин на основе керновых исследований / В.Н. Кошелев, H.A. Ченикова, H.A. Пенькова, B.C. Шишков, А.Р. Арсланбеков // СНТЖ «Бурение и нефть». - 2009. - №3. - С. 43-47.

9. Некоторые аспекты применения жидкостей глушения на основе эмульсий. / С.Н. Шишков, В.Л. Заворотный, B.C. Шишков и др. // СНТЖ «Бурение и нефть». - 2009. - №6. - С. 25-29.

10. Шишков B.C. Эмульсионные растворы на неводной основе для бурения скважин и вскрытия продуктивных пластов на месторождениях Восточной Сибири// Новые технологии в газовой промышленности. Тезисы докладов восьмой всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов. - Москва: РГУ НиГ им. Губкина. 2009. - С. 23.

11. Исследование структурообразующей способности различных модификаций органоглин в низкотоксичных растворах на неводной основе/ В.С Шишков, С.Н. Шишков, В.Л. Заворотный, A.B. Заворотный // «Эфиры целлюлозы и крахмала. Опыт и особенности применения на предприятиях нефтегазового комплекса». Материалы XIII Международной научно-практической конференции. - Суздаль. 2009. - С. 102-108.

12. Шишков В.С, Шишков С.Н., Заворотный B.JI. Оценка возможности применения промышленных образцов минеральных масел в качестве основы низкотоксичных// Эфиры целлюлозы и крахмала. Опыт и особенности применения на предприятиях нефтегазового комплекса. Материалы XIII Международной научно-практической конференции. - Суздаль: 2009. - С. 173-176.

13. Разработка и исследование рецептур эмульсионных растворов на основе минеральных масел./ B.JI. Заворотный, B.C. Шишков, С.Н. Шишков, В.М. Ми-ненков, В.Н. Кошелев // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. -№1, ВНИИОЭНГ, М., 2010. - С. 34-38.

14. Шишков B.C. Универсальная жидкость глушения на основе эмульсий // Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России». Тезисы докладов VIII-ой Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 80-летию РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина. - Москва, - 2010, РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, Часть 1, сек. 1-4, - С. 153-154.

15. Шишков B.C. Разработка систем эмульсионных растворов с низким содержанием водной фазы// Нефтепромысловая химия. Тезисы докладов V Всероссийской научно-практической конференции. - Москва: РГУ нефти и газа им. Губкина. 2010.-С. 11-13.

16. Шишков B.C., Шишков С.Н., Миненков В.М. Исследование технологических свойств эмульсионных растворов с водной фазой, минерализованной солями муравьиной кислоты// Нефтепромысловая химия. Тезисы докладов V Всероссийской научно-практической конференции. - Москва: РГУ нефти и газа им. Губкина. 2010. - С. 14-16.

17. Исследование закономерностей процесса диспергирования глинистого шлама в эмульсионных растворах на углеводородной основе./ В.С.Шишков, B.JI. Заворотный, С.Н. Шишков, В.М. Миненков .// Нефтепромысловая химия. Тезисы докладов V Всероссийской научно-практической конференции. - Москва: РГУ нефти и газа им. Губкина. 2010. - С. 9-11.

18. Расчеты показателей экологической опасности химических реагентов, применяемых в бурении нефтяных и газовых скважин / B.J1. Заворотный, Т.С. Смирнова, B.C. Шишков, A.M. Стаин // Нефтепромысловая химия. Тезисы докладов V Всероссийской научно-практической конференции. - Москва: РГУ нефти и газа им. Губкина. 2010. - С. 188-191.

19. Факторы, определяющие диспергирующую способность эмульсионных растворов на углеводородной основе./ B.C. Шишков, B.JI. Заворотный, С.Н. Шишков, В.М. Миненков // ЕНТЖ «Управление качеством в нефтегазовом комплексе.-М.,: - 2010,-№3, - С. 48-50.

20. Повышение эффективности применения эмульсионных растворов на углеводородной основе добавками нефтерастворимых полимеров / B.C. Шишков, B.JI. Заворотный, С.Н. Шишков, В.М. Миненков // Эфиры целлюлозы и крахмала. Опыт и особенности применения на предприятиях нефтегазового ком-

плекса. Материалы XIV Международной научно-практической конференции. -Суздаль: 2010.-С. 135-138.

21. Утилизация отходов при бурении на инвертных эмульсионных растворах / B.JI. Заворотный, H.H. Ефимов, B.C. Шишков, С.Н. Шишков, В.М. Миненков // Эфиры целлюлозы и крахмала. Опыт и особенности применения на предприятиях нефтегазового комплекса. Материалы XIV Международной научно-практической конференции. - Суздаль: 2010. - С. 279-281.

22. Сравнительный анализ методик определения объемов отходов бурения / В.Л. Заворотный, A.B. Заворотный, B.C. Шишков, A.M. Стаин // Эфиры целлюлозы и крахмала. Опыт и особенности применения на предприятиях нефтегазового комплекса. Материалы XIV Международной научно-практической конференции. - Суздаль: 2010. - С. 281-285.

23. Патент 2424269 РФ, МПК С09К 8/02, С09К 8/467. Эмульсионный раствор на углеводородной основе / B.C. Шишков [и др.]. - Опубл. 20.07.2011, Бюл. №20.

24. Методы оценки агрегативной устойчивости обратных эмульсий / В.Л. Заворотный, A.B. Заворотный, С.Н. Шишков, B.C. Шишков // Эфиры целлюлозы и крахмала, другие новые химические реагенты и композиционные материалы как основа успешного сервиса и высокого качества технологических жидкостей для строительства, эксплуатации и ремонта нефтяных и газовых скважин. Материалы XV международной научно-практической конференции. - Суздаль. 2011. - С.169-172

25. Исследование эффективности технологической жидкости «ЭМУЛЬПОЛ» /

B.Л. Заворотный, A.B. Заворотный, С.Н. Шишков, В.С.Шишков, P.C. Малахова,

C.В Сенюшкин, Е.В. Беленко, В.П. Полищученко // Эфиры целлюлозы и крахмала, другие новые химические реагенты и композиционные материалы как основа успешного сервиса и высокого качества технологических жидкостей для строительства, эксплуатации и ремонта нефтяных и газовых скважин. Материалы XV международной научно-практической конференции. Суздаль - 2011. - С. 140-142

Соискатель

/Шишков B.C./

Подписано в печать:

17.02.2012

Заказ № 6673 Тираж - 110 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Шишков, Валерий Сергеевич, Москва

61 12-5/1753

ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина» Общество с ограниченной ответственностью «Научно-производственная компания «ЭКСБУР-К»

На правах рукописи

ШИШКОВ ВАЛЕРИЙ СЕРГЕЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭМУЛЬСИОННЫХ РАСТВОРОВ НА УГЛЕВОДОРОДНОЙ ОСНОВЕ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ БУРЕНИЯ СКВАЖИН В СЛОЖНЫХ ГЕОЛОГО-ТЕХНИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Специальность 25.00.15 - Технология бурения и освоения скважин

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - к.т.н. доцент Заворотный В.Л.

Москва 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................... 5

1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ И ПРОБЛЕМ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРИМЕНЕНИЯ ЭМУЛЬСИОННЫХ РАСТВОРОВ НА УГЛЕВОДОРОДНОЙ ОСНОВЕ В

СЛОЖНЫХ ГЕОЛО-ТЕХНИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ................. 7

1Л. Обобщение опыта промышленного применения

эмульсионных растворов на углеводородной основе, их достоинства и недостатки........................................... 8

1.2. Анализ существующих решений направленных на повышение эффективности применения ЭРУО при

бурении пологих скважин........................................... 27

1.3. Экологические аспекты применения ЭРУО и пути снижения их отрицательного влияния на окружающую природную среду...................................................... 33

1.4. Пути повышения технологической эффективности применения ЭРУО и снижения их отрицательного воздействия на ОПС. Постановка задачи исследований...... 41

2. ИССЛЕДОВАНИЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМ ЭМУЛЬСИОННЫХ РАСТВОРОВ НА УГЛЕВОДОРОДНОЙ ОСНОВЕ ДЛЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИН В СЛОЖНЫХ ГЕОДОГО-ТЕХНИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ.............................. 43

2.1. Выбор нефтерастворимых полимеров и методов оценки эффективности......................................................... 44

2.2. Экспериментальные исследования с целью изучения влияния выбранных образцов нефтерастворимых полимеров на показатели свойств и стабильность ЭРУО... 47

2.3. Исследование закономерностей диспергирующего 59

действия ЭРУО на выбуренный глинистый шлам и оценка влияния окиси кальция на показатели свойств и стабильность растворов..............................................

2.4. Разработка оптимального рецептурного состава и технологии приготовления раствора «ЭМУЛЬПОЛ»......... 66

2.5. Выводы.................................................................. 74

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ НРП-20М И СИСТЕМЫ

«ЭМУЛЬПОЛ» НА ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ВСКРЫТИЯ

ПРОДУКТИВНЫХ ПЛАСТОВ.......................................... 75

3.1. Обоснование методики проведения экспериментов, выбор технологических жидкостей и кернового материала для их проведения.............................................................. 75

3.2. Экспериментальные исследования по сравнительной оценке влияния различных систем ЭРУО на фильтрационно-емкостные характеристики продуктивных пластов.................................................................. 81

3.3. Разработка и исследования блокирующего состава «ЭМУЛЬПОЛ-БС».................................................... 90

3.4. Выводы.................................................................. 97

4. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭМУЛЬСИОННОЙ

СИСТЕМЫ «ЭКОПОЛ» НА ОСНОВЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ

МИНЕРАЛЬНЫХ МАСЕЛ И СОЛЕЙ МУРАВЬИНОЙ

КИСЛОТЫ..................................................................... 99

4.1. Теоретические и экспериментальные исследования закономерностей процесса сольватации дисперсной фазы ЭРУО в низкоароматических углеводородных средах........ 102

4.2. Экспериментальные исследования с целью выбора эффективных структурообразователей ЭРУО на основе минеральных масел................................................... 108

4.3. Разработка рецептурных вариантов систем «ЭКОПОЛ» с водной фазой минерализованной формиатами натрия и калия, оценка их технологических свойств и устойчивости

к воздействию дестабилизирующих факторов....................................115

4.4. Выводы............................. ..........................................................................133

5. ПРОМЫСЛОВЫЕ ИСПЫТАНИЯ................................................................................135

5.1 Лабораторные испытания системы «ЭМУЛЬПОЛ» в

качестве жидкости глушения скважин на месторождениях

СП «Вьетсовпетро» 135 5.2. Результаты применения системы «ЭМУЛЬПОЛ» на

действующих скважинах 141

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ..............................................................144

ЛИТЕРАТУРА................................................................................................................................................146

ПРИЛОЖЕНИЕ 1........................................................................................................................................159

ПРИЛОЖЕНИЕ 2........................................................................................................................................161

ПРИЛОЖЕНИЕ 3........................................................................................................................................164

ПРИЛОЖЕНИЕ 4........................................................................................................................................166

ПРИЛОЖЕНИЕ 5........................................................................................................................................169

ПРИЛОЖЕНИЕ 6........................................................................................................................................176

ПРИЛОЖЕНИЕ?........................................................................................................................................194

ВВЕДЕНИЕ

Современная оценка эмульсионных растворов на углеводородной основе (ЭРУО), как систем, альтернативных водным растворам, в основном однозначна, положительна и следует из их физико-химической природы. Специфические особенности ЭРУО - инертность к разбуриваемым породам, низкая фильтрация, одинаковая физико-химическая природа углеводородной основы растворов и флюидов, насыщающих продуктивный пласт, хорошие смазочные и антикоррозионные свойства предопределили их успешное использование для бурения скважин, вскрытия продуктивных пластов и в различных технологических процессах, связанных с повышением их нефтеотдачи.

Однако конкретные положительные результаты, получаемые при применении даже наиболее перспективных отечественных систем ЭРУО значительно ниже их потенциальных возможностей.

Серьезные проблемы, связанные с регулированием технологических свойств ЭРУО, возникали при бурении наклонно-направленных скважин большого диаметра в неустойчивых глинистых отложениях. Недостаточная выносящая способность раствора, невозможность оперативного регулирования его реологических свойств, высокая степень диспергирования выбуренного шлама приводили к постоянным затяжкам и посадкам бурильного инструмента, увеличению количества не регламентированных промывок скважины и большому расходу основных компонентов ЭРУО.

При этом требует своего решения и проблема расширения условий применения отечественных ЭРУО: снижение ограничений в температурном диапазоне и более широкое варьирование плотности. Это связано, с одной стороны, с необходимостью бурения или ремонта скважин, забойная температура в которых превышает 180°С, а с другой - минимизация гидростатического давления в условиях АНПД, когда требуются системы с плотностью

менее 0,85 г/см3 и минимальным содержанием водного компонента (в том числе, и для отбора керна с целью подтверждения запасов месторождения).

В условиях ужесточения экологических требований намечен переход на низкотоксичную углеводородную основу и замена в составе водной фазы эмульсии хлоридов натрия и кальция на биоразлагаемые и менее токсичные соли муравьиной кислоты, что в свою очередь создает проблемы по формированию рецептуры раствора с требуемыми структурно-реологическими свойствами и стабильностью. Это связано со значительным ухудшением условий для диспергирования органофильных коллоидных структурообразова-телей, сольватации тонкодисперсного наполнителя и эмульгирования водной фазы в органических жидкостях, в групповом составе которых отсутствуют ароматические углеводороды.

Важнейшей составляющей данной проблемы является сохранение системой свойств по минимальному воздействию на естественную проницаемость пласта-коллектора.

Комплекс уникальных положительных свойств раствора, обеспечивающих его эффективность как промывочного агента и сохранение фильтра-ционно-емкостных свойств пород коллекторов, определяют актуальность разработки системы эмульсионных растворов с улучшенными технологическими и экологическими свойствами.

В связи с этим, очевидно, что более полная реализация достоинств ЭРУО и их низкотоксичных модификаций неразрывно связано с вводом в состав раствора качественно новых материалов, способных растворяться в различных углеводородах без высоких сдвиговых деформаций, придавать дисперсионной среде раствора вязкостные и структурные свойства, предотвращать диспергируемость глинистого шлама, повышать прочность межфазных слоев эмульсии, повышая термостабильность раствора, благоприятно сказываться на сохранение фильтрационно-емкостных свойств продуктивных пластов.

Цель работы. Повышение эффективности буровых работ и качества вскрытия продуктивных пластов разработкой рецептуры и технологии приготовления термостабильного ЭРУО с улучшенными технологическими и экологическими характеристиками.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ И ПРОБЛЕМ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРИМЕНЕНИЯ ЭМУЛЬСИОННЫХ РАСТВОРОВ НА УГЛЕВОДОРОДНОЙ ОСНОВЕ В СЛОЖНЫХ ГЕОЛОГО-ТЕХНИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Среди многообразия типов и классов буровых промывочных жидкостей особое место отводится растворам на углеводородной основе (РУО). Специфические особенности РУО - инертность к разбуриваемым породам, низкая фильтрация, одинаковая физико-химическая природа углеводородной основы раствора и флюидов, насыщающих продуктивный пласт, хорошие смазочные и антикоррозионные свойства предопределили их успешное использование при строительстве и ремонте скважин, в процессах повышения нефтеотдачи пластов.

РУО - это специальные технологические жидкости, способные успешно решать различные задачи в условиях, где использование растворов на водной основе не представляется возможным или требует значительных затрат.

Компонентами РУО являются жидкая углеводородная среда, структу-рообразователь в виде активного наполнителя или коллоидной фазы, суспендированного или эмульгированного соответствующими эмульгаторами и стабилизаторами. Кроме того, в состав ЭРУО могут входить специальные наполнители, выполняющие роль утяжелителей или облегчителей, понизителей фильтрации и нейтрализаторов сероводорода.

В зависимости от содержания и назначения водного компонента углеводородные технологические жидкости подразделяются на собственно РУО и обращенные эмульсии (ЭРУО). И в той и в другой системе раствора может

содержаться значительное количество водной фазы. Принципиальное отличие состоит в том, что в ЭРУО вода играет роль основного или дополнительного структурообразователя.

Современные зарубежные рецептуры углеводородных растворов имеют оптимальный набор высокоэффективных материалов, позволяющих, в зависимости от технологического назначения, переходить от одной системы к другой. Кроме того, содержание в растворе 2-3 %-ов водной фазы в растворе является обязательным условием для эффективного функционирования поверхностно-активных веществ, выполняющих роль эмульгаторов и стабилизаторов системы.

В то же время, специфические особенности ЭРУО, в основе которых заложен процесс эмульгирования двух несмешивающихся жидкостей, накладывают определенные требования на формирование таких систем, с целью придания им свойств «истинно» углеводородных жидкостей. Попытки использования компромиссных вариантов рецептур ЭРУО, некондиционных материалов и реагентов могут свести на нет все достоинства углеводородных систем при решении различных технологических задач, связанных с углублением и ремонтом скважин

В соответствии с современными представлениями для получения ЭРУО, обладающего высокой стабильностью при обычной и высокой температуре необходимо, с одной стороны, тщательное эмульгирование водной фазы и диспергирование органофильных коллоидов, а, с другой, предотвращение коалесценсии капелек воды и флокуляции твердой фазы. Первое обеспечивается снижением поверхностного натяжения на границе раздела фаз и применением эффективного способа диспергирования; второе - созданием на поверхности капелек воды и твердой фазе адсорбционно-сольватных слоев высокой структурно-механической прочности, обеспечивающих их сродство к углеводородной основе.

1.1. Обобщение опыта промышленного применения эмульсионных растворов на углеводородной основе, их достоинства и недостатки.

Мировой опыт промышленного применения РУО позволяет в настоящее время выявить ряд присущих только им достоинств и определить область их наиболее рационального использования.

1. Высокая термостойкость обусловлена тем, что основные материалы и реагенты РУО являются продуктами переработки нефти или высокотемпературного нефтехимического синтеза и в отличие от водных промывочных систем не подвержены термоокислительной деструкции (ниже температур термического крекинга или синтеза). Специальный подбор ПАВ и органо-фильных коллоидных структурообразователей и стабилизаторов, обеспечивает температурную устойчивость ряда рецептур ЭРУО выше 250°С. В худшем случае, высокие температуры способствуют росту структурно- реологических показателей раствора, что устраняется достаточно простыми обработками.

2. Минимальное разупрочняющее действие на горные породы, обусловлено инертностью углеводородной дисперсионной среды ЭРУО. Глинистые породы практически не набухают в неполярных жидкостях. Эмульгированная водная фаза может быть минерализована без ущерба для свойств раствора вплоть до насыщения хлоридами натрия, кальция, магния, в результате чего резко снижается ее активность [1,2]. ЭРУО обладают низкой фильтрующей способностью, хотя и повышающейся с ростом температуры, но в значительно меньшей степени, чем у водных буровых растворов. При этом вода в фильтрате отсутствует. Оценка влияния различных растворов на устойчивость глинистых пород по показателю увлажняющей способности (П0), комплексно учитывающему влияние капиллярной пропитки, диффузии, осмотического массопереноса, ионного и полимерного ингибирования [3,4,5], показывает, что ЭРУО имеют значения данного показателя не доступные для водных систем (таблица 1.1.1)

Таблица 1.1.1 - Специальные свойства буровых растворов

№ Наименование типа бурового раствора Показатели свойств раствора

0,градус <г, мН/м По, м/час

1 Вода - 48,8 0,197

2 Необработанный глинистый 100 44,6 0,156

3 Гуматный 100-105 40,5-44,6 0,078

4 Полимерлигносульфонатный - 36-40 0,060

5 Гипсокалиевый 100-105 36-40 0,022

6 Соленасыщенный (КС1) полимерный - 34-38 0,022

7 Соленасыщенный (7ЧаС1) полимерный - 30-36 0,026

8 Биополимерный КС1 полигликолевый 120-125 6-10 0,015

9 Полигликолевый полимерный 120-125 12-15 0,040

10 Полигликолевый алюмокалиевый 120-125 10-15 0,022

11 ЭРУО - - о(-)

Исследованиями закономерностей влияния различных типов буровых растворов на изменение скорости пластического течения Vпл искусственных образцов солей №С1 и КС1 установлено, что ЭРУО в меньшей степени способствует увеличению , чем любой другой раствор на водной основе даже в случаен применения перенасыщенных рассолов, полностью исключающих растворение соли[6,7]. Аналогичные результаты получены и при исследовании влияния буровых растворов на деформацию искусственных образцов бишофита[8].

4. Возможность поддержания плотности ЭРУО в широких пределах недоступных для водных систем без специальных облегчителей или аэрации.

Это обусловлено тем, что основой ЭРУО являются углеводородные жидкости различного фракционного состава плотностью 0.76-0.84г/см . Фирменный набор специальных материалов, позволяет получать системы с требуемыми структурными и фильтрационными характеристиками плотностью на 0.02-0.03 г/см3 выше плотности их дисперсионной среды[41].

5.Максимальное сохранение естественной проницаемости пласта-коллектора Обусловлено одинаковой природой фильтрата ЭРУО и флюида

насыщающего пласт-коллектор, что позволяет исключить большинство элементов вредного воздействия промывочной жидкости на естественную проницаемость пласта, и в частности, водную блокаду его призабойной зоны. Соблюдение специальных требований к составу и свойствам ЭРУО обеспечивает потенциально возможные дебиты скважин в любых по сложности геолого-технических условиях их проводки.

6. Устойчивость к воздействию сероводорода и других кислых газов. В отличие от водных буровых растворов ЭРУО обладают более высокой поглотительной способностью и устойчивостью к воздействию сероводорода. Практически все органические компоненты РУО (дисперсионная среда, ПАВ, органофильные коллоиды) в той или иной степени вступают в реакцию с сероводородом, образуя при этом устойчивые сераорганические соединения. Наличие в составе ряда рецептур ЭРУО значительного количества гидроокиси кальция обеспечивает сохранение достаточно высокого рН даже при полном насыщении раствора сероводородом. ЭРУО совместим со всеми известными нейтрализаторами сероводорода (ЖС-7, СНУД, Мп02, ZnO и т.д.).

7. Хорошие смазывающие и антикоррозионные свойства обусловлены о�