Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование и разработка составов полимерных растворов с добавками реагентов-детергентов для повышения эффективности бурения твердых горных пород

ВАК РФ 25.00.15, Технология бурения и освоения скважин

Автореферат диссертации по теме "Обоснование и разработка составов полимерных растворов с добавками реагентов-детергентов для повышения эффективности бурения твердых горных пород"

На правах рукописи

ЛЕУШЕВА Екатерина Леонидовна

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СОСТАВОВ ПОЛИМЕРНЫХ РАСТВОРОВ С ДОБАВКАМИ РЕАГЕНТОВ-ДЕТЕРГЕНТОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ БУРЕНИЯ ТВЕРДЫХ ГОРНЫХ

ПОРОД

Специальность 25.00.15 - Технология бурения

и освоения скважин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

8 АВГ ДШ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ - 2013

005532036

005532036

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный

минерально-сырьевой университет «Горный»

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор

Николаев Николай Иванович

Официальные оппоненты:

Шарафутдинов Зариф Закиевич доктор технических наук, ОАО «Газпром промгаз», главный научный сотрудник

Уляшева Надежда Михайловна кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО «Ухтинский государственный технический университет», кафедра бурения, профессор

Ведущая организация - ООО «СамараНИПИнефть»

Защита диссертации состоится 27 сентября 2013 года в 15 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.224.02 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, Санкт-Петербург, В.О., 21-я линия, д.2, ауд. 1166.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный»

Автореферат разослан 26 августа 2013 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ ! I \ ОНИЩИН

диссертационного совета \ "Ч/ Владислав Петрович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: Развитие минерально-сырьевой базы страны, повышение качества и эффективности бурения скважин предполагает освоение все больших глубин разрабатываемых месторождений.

Бурение скважин требует совершенствования не только техники и технологии буровых работ, но и систем буровых растворов. Технические и экономические показатели бурения во многом зависят от совершенства технологии промывки скважин, состава и свойств буровых растворов, их физико-химической обработки и соответствия буримым горным породам.

При бурении в твердых горных породах резко увеличиваются энергозатраты на разрушение породы на забое, что снижает эффективность бурения в целом. Особенно этот вопрос актуален при бурении скважин в Тимано-Печорской и Лено-Тунгусской нефтегазоносных провинциях, где геологический разрез представлен твердыми горными породами.

В связи с этим создание композиций эффективных буровых растворов с добавками реагентов - понизителей твердости горных пород представляется весьма актуальной задачей.

Значительный вклад в развитие научных представлений о процессах разрушения горных пород и влияние поверхностно-активных веществ (ПАВ) на этот процесс внесли отечественные и зарубежные исследователи: Ребиндер П.А., Шрейнер J1.A., Жигач К.Ф., Дихтяр A.A., Криворучко A.M., Синюков Ю.М., Кусов Н.Ф., Таран Р.Н., Дудля H.A., Синев C.B., Шоболова Л.П., Эдельштейн O.A. и др.

Исследованием и разработкой рецептур промывочных жидкостей в разное время занимались: Агзамов Ф.А., Ахмадеев Р.Г., Булатов А.И., Ангелопуло O.K., Гайдаров М.М-Р., Городнов В.Д., Данюшевский B.C., Грей Дж. Р., Дарли Г.С.Г., Маковей Н., Николаев Н.И., Овчинников В.П., Рябова Л.И., Рязанов Я.А., Уляшева Н.М., Шарафутдинов 3.3. и др.

Целью работы: Повышение эффективности разрушения твердых горных пород при бурении скважин.

Идея работы, заключается в создании композиций безглинистых буровых растворов на основе водорастворимых полимеров различной молекулярной массы с добавками реагентов -понизителей твердости горных пород (детергентов).

Задачи исследований:

- анализ материалов по применению реагентов - понизителей твердости в составе бурового раствора;

- разработка методики оценки эффективности реагентов понизителей твердости пород в составе бурового раствора;

разработка составов буровых растворов повышающих эффективность бурения скважин в твердых горных породах;

- проведение экспериментальных и стендовых исследований свойств разработанных растворов и анализ полученных результатов;

- опытно-производственная оценка предложенным разработкам.

Методика исследований включает в себя комплекс экспериментальных исследований физико-механических свойств горных пород, а также основных структурно-реологических свойств безглинистых буровых растворов.

Научная новизна заключается в установлении зависимости изменения физико-механических свойств буримых твердых горных пород от состава и структурно-реологических показателей разработанных безглинистых буровых растворов с добавками реагентов - понизителей твердости, а также их концентраций, что обеспечит увеличение эффективности разрушения пород на забое.

Защищаемые научные положения:

1. Водные растворы анионактивных ПАВ при концентрациях 0,05 - 0,1% снижают твердость горных пород на 15-35%, что приводит к снижению удельной работы разрушения на 30-50%

2. Разработанная методика оценки влияния водных растворов ПАВ на изменение физико-механических характеристик твердых горных пород, включающая определение поверхностного натяжения, удельного электрического сопротивления раствора и предела прочности, микротвердости и динамической прочности породы, позволяет дать количественную оценку эффективности детергентов в составе буровых растворов пониженной плотности.

3. Буровые растворы на основе биополимера «КК Робус» (0,3 -0,5%), высокомолекулярного акрилового полимера «К-М17» (3 -5%), композиции анионактивных ПАВ (0,05 - 0,1%), обеспечивают получение стабильных промывочных жидкостей плотностью 1,02 -1,04 г/см3, с нормативными технологическими показателями, повышающих механическую скорость бурения на 10 - 40 %.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций определяется современным уровнем аналитических и достаточным объемом экспериментальных исследований, воспроизводимостью полученных данных и удовлетворительной сходимостью расчетных величин с результатами лабораторных и опытно-производственных исследований.

Практическая значимость работы состоит в разработке составов безглинистых биополимерных буровых растворов пониженной плотности, позволяющих повысить эффективность бурения твердых горных пород.

Апробация работы. Основные положения, результаты теоретических и экспериментальных исследований, выводы и рекомендации докладывались на Международной молодежной научной конференции «Севергеоэкотех - 2011», «Севергеоэкотех -2012» и «Севергеоэкотех - 2013» (г. Ухта), V Международной научно-технической конференции «Бурение скважин в осложненных условиях», посвященной 90-летию ДонНТУ и 40-летию кафедры «Технология и техника геологоразведочных работ» (г. Донецк, 2011 год), V Всероссийской конференции «Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых» (г. Пермь, 2012 год), IV Международной научно-практической конференции молодых ученых (г. Уфа, 2011 год), Всероссийской молодежной научной конференции «Молодежь и наука на Севере» (г. Сыктывкар, г. Ухта, 2013 год).

Реализация результатов работы. Отдельные положения диссертационного исследования использованы при выполнении научно-исследовательских работ в рамках:

- ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы;

- стипендиальной программы Президента Российской Федерации молодым ученым и аспирантам на 2013-2015 годы по теме «Обоснование и разработка методики выбора поверхностно-активных веществ в составе буровых растворов для повышения эффективности разрушения твердых горных пород при бурении скважин»;

- опытно-производственного опробования при бурении скважин в твердых горных породах на Гиммельфарбском местрождении (Казахстан) и объекте Таловейс (республика Карелия).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, 4 статьи опубликованы в журналах, входящих в перечень ведущих журналов и изданий, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем диссертационной работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка, включающего 86 наименований. Материал диссертации изложен на 105 страницах, включает 18 таблиц, 27 рисунков, 2 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится общая характеристика работы, обосновывается ее актуальность, определяются цель, задачи, идея работы, излагаются защищаемые научные положения, научная новизна и практическая значимость.

В первой главе приведен обзор современного состояния технологии бурения глубоких скважин в твердых горных породах.

Приведена общая характеристика прочностных свойств горных пород и способов интенсификации разрушения горных пород на забое скважин.

Дан анализ существующих методик выбора поверхностно-активных веществ для повышения эффективности разрушения твердых горных пород на забое скважины.

Приведена классификация поверхностно-активных веществ. Поставлены цели и задачи исследований.

Во второй главе изложена методика экспериментальных исследований. В ней кратко представлены основные исследуемые

физико-механические свойства и технологические параметры буровых растворов. Описаны приборы и принципы измерения. Приводится методика планирования экспериментов и статистической обработки результатов.

В третьей главе приведены исследования по разработке методики оценки влияния ПАВ в составе промывочной жидкости на эффективность разрушения горной породы на забое скважины и изложены результаты экспериментальных исследований по разработанной методике.

В частности, были проведены исследования по обоснованию выбора типа ПАВ в составе буровых растворов. Исследования состояли в замере краевых углов смачивания и определении микротвердости образца породы в среде различных водных растворов ПАВ с получением диаграмм деформации.

Были сделаны выводы, что наименьшие краевые углы смачивания имеют водные растворы анионактивных и неионогенных ПАВ, при их концентрации 0,05% снижение краевого угла смачивания достигает 45%, при концентрации 0,1% снижение достигает 60%. Отмечено, что дальнейшее увеличение концентрации не является целесообразным, так как не ведет к значительному снижению краевого угла смачивания. Установлено, что все виды ПАВ снижают нагрузку, необходимую для разрушения образца, причем при концентрации ПАВ 0,05% это снижение составляет в среднем 25%, а с увеличением концентрации ПАВ до 0,1% снижение нагрузки достигает 40% для анионактивных ПАВ.

Очевидно, что удельная работа разрушения определятся площадью, ограниченной диаграммой деформации в пределах упругости. Результаты соответствующих расчетов представлены на рисунке 1.

Из графиков видно, что при малых концентрациях (0,05%) все ПАВ уменьшают работу разрушения породы примерно на 40%. С увеличением концентрации до 0,1 % анионактивные ПАВ снижают работу упругих сил почти в три раза, а увеличение концентрации неионогенных и катионактивных ПАВ на этот показатель практически не влияют.

натрия каТйМ! гн

-ф-ОП-7

0.15

Рисунок 1 - Зависимость работы упругой деформации от концентрации ПАВ

Аналогичная зависимость наблюдается при анализе влияния ПАВ на твердость горных пород (рисунок 2).

-»-Я АБС натрия

-•-катамнн

0.15

Рисунок 2 - Зависимость твердости породы от концентрации ПАВ

Так при концентрациях ПАВ 0,05% снижение твердости составляет в среднем 25% для всех исследуемых ПАВ, а с увеличением концентрации до 0,1% понижение твердости наблюдается при воздействии на породу только анионактивными ПАВ, и этот показатель уменьшается более чем на 40%.

Таким образом, результаты исследований свидетельствуют о перспективности использования анионактивных ПАВ в составах

0.05 0.1

концентрация, ° о

1^00,00

, , -»000.00 и

о 3000.00

а. &

д 2500,00 о

а

^ -000,00

0.05 0.1

концентрация, %

разрабатываемых буровых растворов в качестве реагентов -понизителей твердости горных пород.

В ходе исследований была разработана методика оценки разупрочняющего действия промывочной жидкости на твердые горные породы. Схема методики, может быть представлена в виде пяти последовательных этапов экспериментальных исследований и анализе полученных результатов (рисунок 3).

Понижение прочности горной породы на забое скважины можно выразить через функцию следующих физических свойств раствора:

М>р=Г{апмЛр,рр) (1)

где АРр - снижение прочности породы; а„ „ - поверхностное натяжение раствора; Яр - удельное электрическое сопротивление раствора; рр - плотность раствора.

То есть на первом этапе необходимо определить плотность раствора, поверхностное натяжение и удельное электрическое сопротивление.

На втором этапе проводиться расчет относительных коэффициентов поверхностного натяжения, удельного электрического сопротивления, плотности раствора и интегрального показателя разупрочняющего действия раствора на буримую горную породу.

к\ К2 Ро=— (2)

<и. Кр Рр

где а„.„., </„.„. - поверхностное натяжение воды и исследуемого раствора на поверхности образца; Яв, Яр - удельное электрическое сопротивление воды и исследуемого раствора; рв, рр -плотность воды и исследуемого раствора.

Тогда интегральный показатель свойств раствора (Кр) можно выразить:

(3)

¿Р о

Анализ уравнений (2) и (3) показывает, что с уменьшением поверхностного натяжения раствора (?„.„. по отношению к

поверхностному натяжению воды аепм. значение Кр увеличивается. То же самое можно сказать и об удельном электрическом сопротивлении. Снижение плотности раствора рр так же приводит к росту интегрального показателя свойств раствора Кр.

Третий этап связан с определением основных физико-механических свойств горной породы:

- временного сопротивления (предела прочности);

- динамической прочности;

- микротвердости.

Эти показатели можно объединить через некий удельный критерий прочности (а„р)\

°np=f(.°n,Fd,Pme) (4)

где <т„ - предел прочности породы; F() - динамическая прочность породы; Ртв - микротвердость породы.

На четвертом этапе проводиться расчет среднего удельного критерия прочности породы на основе расчетов относительного временного сопротивления, динамической прочности и

микротвердости породы.

ар рр рр

Лег =—— AFd АРт=-^- (5)

п в д рв те рв V j

Un Гд *тв

где , (г"п — временное сопротивление образца породы в воде и в среде исследуемого раствора; Ff, F/ - динамическая прочность образца породы в воде и среде исследуемого раствора; PL > Ртв ~~ микротвердость образца породы в воде и среде исследуемого раствора.

Тогда средний удельный критерий прочности породы (Кп) можно представить в виде:

^Асг.+А^+АГ, (6)

Из уравнений (5) и (6) следует, что чем больше снижаются прочностные показатели породы в среде раствора {<fe, F'd, j°",„„), тем интенсивнее уменьшается удельный критерий прочности породы К„.

Рисунок 3

- Схема методики количественной оценки разупрочняющего действия промывочной жидкости на буримые горные породы

¿L

ñ ■ « У'*

Vi ' * tj*c»

J4

» 4.*

• v « Щ* ЩРН

' '1 i/ ^ -Г JÉ У

ímmF.

Sœl

- IM

í « I

s Лаурилсульфат натри? Биоиолимерный раствор - ^ЬС натрия 11,05 мм 10,65 мм Л6мм

; .. % '' ' ' J'fiHI

Рисунок - 12 Фотографии поверхности стеклянного образца после внедрения штампа (слева - в воде; справа - в водном растворе анионактивного ПАВ)

Рисунок 11 - Результаты разрушения образца диабаза в среде различных растворов

п

На последнем этапе проводиться расчет коэффициента эффективности разрушения породы.

Очевидно, что чем больше значение Кр и меньше Кп , тем эффективнее разрушение.

Для формализации полученных результатов расчетов по уравнениям (3) и (5) введем понятие коэффициента эффективности разрушения (Кэр ), которое связывает физические свойства раствора через параметр Кр с физико-механическими характеристиками породы К„:

Экспериментальные и расчетные данные, полученные по разработанной методике, позволили оценить эффективность водных растворов ПАВ на каждом из этапов и сделать выбор конкретного ' вида.

| Результаты I этапа представлены на рисунке 4 и в таблице 1,

, а этапа II в таблице 2.

На рисунках 5 и 6 представлены зависимости временного сопротивления и динамической прочности образца горной породы от вида ПАВ. Данные об изменении микротвердости представлены на рисунке 7.

100

о

32.5

калия

■ 1 Вода

! :»-рас1яорО,1%ЛАВС

натрии

4-растеорОД% лэурилеу-льфатз м<прин

2 4

Рисунок 4 - Значение поверхностного натяжения на границе «раствор-образец» для водных растворов анионактивных ПАВ

д

Таблица 1 - Показатели удельного электрического сопротивления растворов____

Вода (водопроводная) 0,1% раствор ацетата калия 0,1% раствор лаурилсульфата натрия 0,1% раствор ЛАБС натрия

107,1 35,3 61,7 80,6

Таблица 2 - Результаты расчета интегрального показателя свойств раствора____

Вода 0,1% раствор 0,1% раствор 0,1% раствор

ацетата калия лаурилсульфата ЛАБС натрия

натрия

к, 1 1,45 2,68 1,78

к2 1 3,04 1,73 1,33

Ро 1 1 1 1

к0 1 2,245 2,205 1,56

12 3 4

■ 1-вода

■ 2-раствор 0.1% ЛАБС натрия

■ 3-раствор 0.1%ацетата калия

□ 4-раствор 0.1°о лаурилсу льфата натр!га

Рисунок 5 - Зависимость временного сопротивления горной породы

от вида ПАВ

12 3 4

■ 2-раствор 0.1°о;щетата калия

ИЗ-раствор 0.1°оЛАБС натрия

□4-рэстаор 0,1% лаурцлсульфата натрия

Рисунок 6 - Зависимость динамической прочности породы

от вида ПАВ

4000

3526

Ншо

I 3000 \ НЦ й »14

^^н НИН

1 1500 г

юоо .......-..........^^н

■1 ■

1 2 3 I

Рисунок 7 - Гистограмма изменения твердости образца породы в среде водных растворов анионактивных ПАВ

Результаты расчетов по этапу III представлены в таблице 3.

Результаты расчета коэффициента эффективности разрушения (этап IV) приведен в таблице 4.

Полученные данные свидетельствуют о том, что исследуемые анионактивные ПАВ имеют высокий коэффициент эффективности разрушения горной породы, из них наилучшие показатели имеет 0,1% водный раствор лаурилсульфата натрия.

ш 2- ЛАВС натрия □ i- лпурютсульфвт

НПТ1>|И

ш I-.¡цстат каши

Таблица 3 - Результаты расчета среднего удельного критерия _ прочности __

Вода 0,1% 0,1% 0,1%

раствор раствор раствор

ацетата лаурилсуль- ЛАБС

калия фата натрия натрия

Относительный предел прочности, Ла„ 1 0,782 0,700 0,792

Относительная динами- 1 0,867 0,812 0,844

ческая прочность, АГ,),

Относительная микротвердость, АРтв 1 0,741 0,746 0,891

Средний удельный критерий прочности, К„ 1 0,797 0,753 0,859

Таблица 4 - Расчет коэффициента эффективности разрушения

Вода 0,1% раствор ацетата калия 0,1 % раствор лаурилсульфата натрия 0,1% раствор ЛАБС натрия

Интегральный показатель свойств раствора Кр. 1 2,245 2,205 1,56

Средний удельный критерий прочности, К„ 1 0,797 0,753 0,859

Коэффициент эффективности разрушения, К)0 1 2,82 2,93 1,82

В четвертой главе представлены результаты исследований по разработке композиций безглинистых буровых растворов.

На рисунках 8 и 9 представлены результаты исследований влияния биополимера «КК-Робус» на основные структурно-реологические показатели растворов.

Условная вячк-оетк с

В«даогдачг1

ча ¿0 млн. смЗ

0 0.2 0.4 0.6 0.8

Концентрациипиополим«^)». °«»

Рисунок 8 - Зависимость условной вязкости и водоотдачи от концентрации биополимера «КК-Робус»

СНС Чфс» 10 ш «м. д_Г1;»

Д| п 1.чм11 ч еское напряжет 1с сдвиг«. Па

0 0.2 0.-4 О.С» 0.8

Концент(ии1»я*)ио11»лимс^»11.%

Рисунок 9 - Зависимость СНС и ДНС от концентрации биополимера

«КК-Робус»

Из рисунков 8 и 9 следует, что для дальнейших исследований концентрация ксантанового биополимера «КК-Робус» должна быть не менее 0,3% и не превышать 0,6%.

Для очистки ствола скважины и снижения потерь давления лучше всего подходит буровой раствор с преимущественно структурной вязкостью, т.е. с высоким отношением предельного динамического напряжения сдвига к пластической вязкости или с низким показателем нелинейности. В связи с этим были проведены исследования по замеру показателя нелинейности из которых

следует, что оптимальная концентрация «К-М - 017», при концентрации «КК-Робус» 0,4%, составляет 5%.

Таким образом, разработанный биополимерный буровой раствор имеет следующий состав:

- 0,4 % биополимера «КК-Робус»;

- 5 % акрилового полимера «К - М 017»;

- 0,1 % анионактивного ПАВ (0,05% лаурилсульфата натрия и 0,05% ацетата калия);

-0,1 % гидроксида натрия;

Разработанный безглинистый биополимерный раствор исследовался по методике количественной оценки разупрочняющего действия промывочной жидкости, представленной ранее. Полученные результаты сведены в таблицу 5.

Таблица 5 - Результаты исследования биополимерного бурового раствора по разработанной методике__

№ этапа Исследуемый параметр Значение

1 Плотность раствора, г/см3 1,015

Поверхностное натяжение раствора, мН/м 33,7

Удельное электрическое сопротивление раствора, Омм 63

2 Относительная плотность раствора 0,985

Относительное поверхностное натяжение раствора 2,58

Относительное удельное сопротивление раствора 1,7

Интегральный показатель свойств раствора 2,173

3 Предел прочности (временное сопротивление) образца породы, МПа 130,8

Динамическая прочность образца породы 23,5

Микротвердость образца породы, 106Н/м2 3368

4 Относительный предел прочности 0,815

Относительная динамическая прочность 0,764

Относительная микротвердость 0,837

Средний удельный критерий прочности 0,805

5 Коэффициент эффективности разрушения 2,70

Полученные результаты свидетельствуют, что разработанный состав биополимерного раствора увеличивает эффективность разрушения горной породы на забое скважины в 2,7 раза по сравнению с водой.

Для сравнения, в таблице 6 представлены помимо воды и биополимерного раствора коэффициенты эффективности разрушения 0,1% водных растворов ацетата калия и лаурилсульфата натрия, полученные по той же методике.

Таким образом, полученные данные свидетельствуют о том, что исследуемые водные растворы анионактивных ПАВ и разработанный состав биополимерного раствора имеют высокий коэффициент эффективности разрушения горной породы.

Таблица 6 - Сводная таблица коэффициентов эффективности

разрушения исследуемых растворов

Вода 0,1% раствор ацетата калия 0,1% раствор лаурилсульфата натрия Биополимерный буровой раствор

Коэффициент эффективности разрушения Кэ „ 1 2,82 2,93 2,70

Также в четвертой главе проводились экспериментальные исследования структурно-реологических показателей

разработанного безглинистого бурового раствора. Пластическая вязкость и динамическое напряжение сдвига определялись при температуре от 30 до 120° С.

Результаты исследования показывают, что при повышенной температуре окружающей среды структурно - реологические показатели разработанного безглинистого биополимерного бурового раствора остаются в пределах допустимых значений.

В пятой главе представлены результаты стендовых и опытно-производственных исследований эффективности

предложенных разработок, а также их эколого-экономическая и опытно-производственная оценка.

Эффективность разрушения образцов горной породы (диабаза) при ударно-вращательном воздействии

породоразрушаюшего инструмента исследовались на специальном стенде, а ударным действии единичного индентора (бойка) - на стеклянном образце. Принципиальная схема экспериментального стенда представлена на рисунке 10.

1-станина;

2- подвижное нагружающее устройство;

3- груз;

4- винтовой зажим;

5- образец породы;

6- вращатель ударного действия;

7- зажим;

8- породоразрушающий инструмент ударно-вращательного действия

Рисунок 10 - Принципиальная схема стенда

На разработанном стенде были проведены эксперименты с использованием следующих растворов:

- 0,1% водный раствор ЛАБС натрия;

- 0,1% водный раствор лаурилсульфата натрия;

- разработанный биополимерный буровой раствор. Полученные результаты представлены на рисунке 11. Результаты экспериментальных исследований показывают,

что в сравнении с водой применение ЛАБС натрия увеличивает механическую скорость разрушения образца породы на 7%, а лаурилсульфат натрия на 23%. Биополимерный раствор, содержащий композицию ПАВ, увеличивает исследуемый параметр на 18%. Полученные результаты с достаточной долей достоверности

указывают на эффективность их количественной оценки по разработанной методике (см. таблицу 6).

На рисунке 12 представлены результаты хрупкой деформации поверхности стеклянного образца в воде и в среде водного раствора анионактивного ПАВ (лаурилсульфата натрия).

При единичном ударе увеличение зоны разрушения в среде водного раствора анионактивного ПАВ достигает 50%, в сравнении с водой. При большем количество ударов (3, 6, 8), то эта разница находиться в пределах 25-35%.

Оценка экологической безопасности разработанных составов растворов показывает, что они относятся к классу малоопасных веществ.

В результате проведения опытно-производственных работ было установлено, что применение рекомендованного состава бурового раствора позволило повысить механическую скорость бурения на 18-27%, увеличение проходки на долото составляет порядка 15-20%.

Основные выводы и рекомендации:

1. Анализ материалов показал, бурение твердых пород с применением буровых растворов содержащими реагенты -понизители твердости (детергенты) является более эффективным, также необходимо стремится к понижению плотности буровых растворов для снижения угнетающего давления на забой.

2. Разработанная методика количественной оценки разупрочняющего действия промывочной жидкости на буримые горные породы, включающая определение поверхностного натяжения и удельного электрического сопротивления жидкости, микротвердости, динамической прочности и предела прочности при одноосном сжатии, позволяет дать количественную оценку эффективности реагентов - понизителей твердости в составе буровых растворов различной плотности.

3. Буровые растворы на основе биополимера «КК Робус» (0,3 -0,5%), высокомолекулярного акрилового полимера «К-М17» (3 -5%), композиции анионактивных ПАВ (0,05 - 0,1%), обеспечивают получение стабильных промывочных жидкостей плотностью 1,02 -1,04 г/см3, с нормативными технологическими показателями.

4. Водные растворы анионактивных ПАВ при концентрациях

0.05.- 0,1% уменьшают удельную работу разрушения твердых горных пород от 40% до 60%, что приводит к снижению их твердости от 25% до 40% соответственно, также введение 0,1% анионактивных ПАВ повышает эффективность разрушения твердых горных пород на 15-25%.

5. Опытно - производственная оценка при бурении скважин в твердых горных породах на Гиммельфарбском местрождении (Казахстан) и объекте Таловейс (республика Карелия) свидетельствует об эффективности предложенного состава бурового раствора для бурения твердых пород, а именно, повышается механическая скорость бурения на 18-27% и увеличивается проходка на долото 15-20%.

Наиболее значимые работы по теме диссертации:

1. Николаев, Н.И. Результаты экспериментальных исследований эффективности реагентов-понизителей твердости пород в составе буровых растворов / Н.И. Николаев, E.JI. Леушева // Инженер-нефтяник. Научно-технический журнал М.: «Ай Ди Эс Дриллинг» 2011, № 3, с. 32-35

2. Леушева, Е.Л. Разработка и методика оценки влияния поверхностно-активных веществ в составе буровых растворов на разрушение горных пород/ Е.Л. Леушева, Н.И. Николаев // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - 2013. - №3, с.16-21

3. Закиров, А.Я. Использование промышленных технологических отходов в буровых растворах / А.Я. Закиров, P.M. Вафин, Е.Л. Леушева // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - 2011. - №8, с. 34-36.

4. Леушева, Е.Л. Методика оценки влияния поверхностно-активных веществ на эффективность разрушения горных пород при бурении скважин / Е.Л. Леушева, М.В. Турицына // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2013. - №1, с. 237239.

РИЦ Горного университета. 16.07.2013. 3.449. Т. 100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Леушева, Екатерина Леонидовна, Санкт-Петербург

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

На правах рукописи

04201361731

ЛЕУШЕВА Екатерина Леонидовна

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СОСТАВОВ ПОЛИМЕРНЫХ РАСТВОРОВ С ДОБАВКАМИ РЕАГЕНТОВ - ДЕТЕРГЕНТОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ БУРЕНИЯ ТВЕРДЫХ ГОРНЫХ ПОРОД

Специальность 25.00.15 - Технология бурения и освоения скважин

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ

доктор технических наук, профессор Н.И. Николаев

Санкт-Петербург - 2013

<

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................... 4

ГЛАВА 1 ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТЕХНОЛОГИИ БУРЕНИЯ СКВАЖИН В ТВЕРДЫХ ГОРНЫХ ПОРОДАХ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНО- АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ......................................................... 9

1.1 Общая характеристика прочностных свойств горных пород.............. 9

1.2 Способы интенсификации разрушения горных пород на

забое скважины.................................................................................................. 14

1.3 Анализ существующих методик выбора поверхностно — активных веществ для повышения эффективности разрушения

твердых горных пород....................................................................................... 19

1.4 Постановка цели и задач исследования........................................ 27

ГЛАВА 2 МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ.................................... 29

2.1 Влияние основных технологических параметров буровых

растворов на буримость горных пород............................................. 29

2.2 Технологические параметры буровых растворов............................ 31

2.3 Методика планирования и обработки результатов

экспериментальных исследований................................................... 39

Выводы по главе 2...................................................................... 44

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ СОСТАВА ПРОМЫВОЧНОЙ ЖИДКОСТИ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАЗРУШЕНИЯ ГОРНОЙ ПОРОДЫ НА ЗАБОЕ СКВАЖИНЫ.................................................................................... 45

3.1 Постановка задачи исследования................................................ 45

3.2 Обоснование выбора типа ПАВ в составе буровых растворов............ 48

3.3 Разработка методики количественной оценки разупрочняющего действия промывочной жидкости на буримые горные породы................ 51

3.4 Оценка эффективности анионактивных ПАВ по разработанной

методике.................................................................................. 58

Выводы по главе 3...................................................................... 66

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА СОСТАВОВ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ ПОНИЖЕННОЙ ПЛОТНОСТИ И ИССЛЕДОВАНИЕ ИХ СТРУКТУРНО-РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ............................. 67

4.1 Рекомендации к разрабатываемым составам полимерных безглинистых растворов............................................................... 67

4.2 Разработка составов буровых растворов пониженной плотности........ 71

4.3 Исследование влияния температуры на структурно - реологические показатели разработанного бурового раствора.................................... 76

4.4 Исследование разработанного бурового раствора по методике

количественной оценки эффективности разрушения породы................. 80

Выводы по главе 4...................................................................... 82

ГЛАВА 5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ И ОПЫТНО-ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ОЦЕНКА ПРЕДЛОЖЕННЫМ РАЗРАБОТКАМ....................................................................... 83

5.1 Стендовые исследования процесса разрушения твердых горных

пород при бурении...................................................................... 83

5.2 Эколого-экономическая оценка разработанного биополимерного безглинистого бурового раствора................................................... 86

5.3 Опытно-производственная оценка эффективности биополимерного

безглинистого бурового раствора для бурения твердых пород............... 89

Выводы по главе 5...................................................................... 90

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................ 92

СПИСОК ЛИТРАТУРЫ............................................................ 93

ПРИЛОЖЕНИЕ А..................................................................... 102

ПРИЛОЖЕНИЕ Б..................................................................... 104

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации. Развитие минерально-сырьевой базы страны, повышение качества и эффективности бурения скважин предполагает освоение все больших глубин разрабатываемых месторождений.

Бурение глубоких скважин требует совершенствования не только техники и технологии буровых работ, но и систем буровых растворов. Технические и экономические показатели бурения во многом зависят от совершенства технологии промывки скважин, состава и свойств буровых растворов, их физико-химической обработки и их соответствия буримым горным породам.

При бурении в твердых горных породах резко увеличиваются энергозатраты на разрушение породы на забое, что снижает эффективность бурения в целом. Особенно этот вопрос актуален при бурении скважин в Тимано-Печорской и Лено-Тунгусской нефтегазоносных провинциях, где геологический разрез представлен твердыми горными породами.

В связи с этим создание композиций полимерных буровых растворов с добавками реагентов - понизителей твердости (детергентов) горных пород представляется весьма актуальной задачей.

Значительный вклад в развитие научных представлений о процессах разрушения горных пород и влияние ПАВ на этот процесс внесли отечественные и зарубежные исследователи Ребиндер П.А., Шрейнер JI.A., Жигач К.Ф., Дихтяр A.A., Криворучко A.M., Синюков Ю.М., Кусов Н.Ф., Таран Р.Н., Дуд-ля H.A., Синев C.B., Шоболова Л.П., Эделыптейн O.A. и др.

Исследованием и разработкой рецептур промывочных жидкостей в разное время занимались Агзамов Ф.А., Ахмадеев Р.Г., Булатов А.И., Ангелопуло O.K., Гайдаров М.М-Р., Городнов В.Д., Данюшевский B.C., Грей Дж. Р., Дарли Г.С.Г., Маковей Н., Николаев Н.И., Овчинников В.П., Рябова Л.И., Рязанов Я.А., Уляшева Н.М., Шарафутдинов 3.3. и др.

Тема диссертации соответствует тематике направлений исследований по Нефтегазовому факультету Горного университета и паспорту научной специ-

альности 25.00.15 «Технология бурения и освоения скважин» в следующей области исследований: «Физико-химические процессы в горных породах, буровых и цементных растворах с целью разработки научных основ обоснования и оптимизации рецептур технологических жидкостей, химических реагентов и материалов для строительства скважин».

Цель работы. Повышение эффективности разрушения твердых горных пород на забое при бурении скважин.

Идея работы. Заключается в создании композиций безглинистых буровых растворов на основе водорастворимых полимеров различной молекулярной массы с добавками реагентов - понизителей твердости горных пород (детергентов).

Задачи исследования:

1. Анализ материалов по применению реагентов - понизителей твердости в составе бурового раствора;

2. Разработка методики оценки эффективности реагентов понизителей твердости пород в составе бурового раствора;

3. Разработка составов буровых растворов повышающих эффективность бурения скважин в твердых горных породах;

4. Проведение экспериментальных и стендовых исследований свойств разработанных растворов и анализ полученных результатов;

5. Опытно-производственная оценка предложенным разработкам.

Методика исследования. Включает в себя комплекс экспериментальных исследований физико-механических свойств горных пород, а также основных структурно-реологических свойств безглинистых буровых растворов.

Научная новизна. Установление зависимости изменения физико-механических свойств буримых твердых горных пород от состава и структурно-реологических показателей разрабатываемых безглинистых буровых растворов с добавками реагентов - понизителей твердости (детергентов), а также их концентраций, что обеспечит увеличение эффективности разрушения пород на забое.

Защищаемые научные положения:

1. Водные растворы анионактивных ПАВ при концентрациях 0,05 - 0,1% снижают твердость горных пород на 15 - 35% что приводит к уменьшению удельной работы разрушения на 30 - 50%.

2. Разработанная методика оценки влияния водных растворов ПАВ на изменение физико-механических характеристик твердых горных пород, включающая определение поверхностного натяжения, удельного электрического сопротивления раствора и предела прочности, микротвердости и динамической прочности породы, позволяет дать количественную оценку эффективности детергентов в составе буровых растворов пониженной плотности.

3. Буровые растворы на основе биополимера «КК Робус» (0,3 - 0,5%), высокомолекулярного акрилового полимера «К-М 017» (3 - 5%), композиции анионактивных ПАВ (0,05 - 0,1%), обеспечивают получение стабильных про-

л

мывочных жидкостей плотностью 1,02 - 1,04 г/см , с нормативными технологическими показателями, повышающих механическую скорость бурения на 10 -40%.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций определяется современным уровнем аналитических и достаточным объемом экспериментальных исследований, воспроизводимостью полученных данных и удовлетворительной сходимостью расчетных величин с результатами лабораторных исследований.

Практическая значимость работы состоит в разработке составов безглинистых биополимерных буровых растворов пониженной плотности, позволяющих повысить эффективность бурения твердых горных пород.

Апробация работы. Основные положения, результаты теоретических и экспериментальных исследований, выводы и рекомендации докладывались на Международной молодежной научной конференции «Севергеоэкотех - 2011», «Севергеоэкотех - 2012» и «Севергеоэкотех - 2013» (г. Ухта, Ухтинский государственный технический университет), V Международной научно-технической конференции «Бурение скважин в осложненных условиях», по-

священной 90-летию ДонНТУ и 40-летию кафедры «Технология и техника геологоразведочных работ» (г. Донецк, Донецкий национальный технический университет, 2011 год), V Всероссийской конференции «Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых» (г. Пермь, Пермский национально-исследовательский политехнический университет, 2012 год), IV Международной научно-практической конференции молодых ученых (г. Уфа, 2011 год), Всероссийской молодежной научной конференции «Молодежь и наука на Севере» (г. Сыктывкар, г. Ухта, 2013 год).

Реализация результатов работы. Отдельные положения диссертационного исследования использованы при выполнении научно-исследовательских работ в рамках:

- Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (по лоту «Поддержка научных исследований, проводимых целевыми аспирантами в области технических наук») № № 14.132.21.1820 «Обоснование и разработка составов буровых растворов для повышения эффективности разрушения твердых горных пород на забое скважины и вскрытия продуктивных пластов в условиях пониженных давлений»;

- стипендиальной программы Президента Российской Федерации молодым ученым и аспирантам, осуществляющим перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики, на 2013-2015 годы по теме «Обоснование и разработка методики выбора поверхностно-активных веществ в составе буровых растворов для повышения эффективности разрушения твердых горных пород при бурении скважин».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, 4 статьи опубликованы в журналах, входящих в Перечень ведущих журналов и изданий, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России.

Объем и структура диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка, включающего 86 наименований. Материал диссертации изложен на 105 стр., включает 18 табл. и 27 рис., 2 приложения.

ГЛАВА 1 ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТЕХНОЛОГИИ БУРЕНИЯ СКВАЖИН В ТВЕРДЫХ ГОРНЫХ ПОРОДАХ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ В БУРОВЫХ РАСТВОРАХ

1.1 Общая характеристика прочностных свойств горных пород

Как известно, горные породы обладают тем большей прочностью, чем тверже минеральные зерна, чем крепче связь между минеральными зернами, чем плотнее они связаны цементом и чем большей твердостью обладает цемент. Мелкозернистые породы прочнее крупнозернистых (при одном и том же минералогическом составе. Более плотные, менее пористые и менее трещиноватые породы обладают большой прочностью.

Прочность горных пород по отношению к разным видам деформаций также различна. Разрушение горных пород при вращательном бурении, как правило, осуществляется вдавливанием резцов или зубьев различной формы в породу забоя и дальнейшим развитием разрушения породы скалыванием. Поэтому показатель твердости горной породы на вдавливание имеет при вращательном бурении большое значение. [4, 15, 37, 64].

Приведем определение понятий прочности и твердости горных пород [29,31]:

• прочность на одноосное сжатие стсж (МПа) — напряжение, при котором горная порода начинает разрушаться, существенно зависит от минералогического и петрофизического состава породы. От величины асж зависит энергия, расходуемая на разрушение породы.

л

Предел прочности на сжатие <тсж (Н/м ) испытываемого образца вычис-

ляется по формуле:

РМЭХ /1 14

Сеж = (1л)

где Рмах- нагрузка, при котором горная порода начинает разрушаться, Н Б — площадь поперечного сечения образца перед испытанием, м2

Значение ссж (МПа) некоторых пород приведены ниже в таблице 1.1 Таблица 1.1 - Прочность на одноосное сжатие горных пород

Горная порода Прочность на одноосное сжатие, МПа

Весьма крепкие и вязкие кварциты 294-490

Весьма крепкие и плотные базальты \ мелкозернистые граниты 235

Очень крепкие граниты, диабазы, диориты 216

Базальты, порфиры, амфиболиты, граниты 196

Гнейсы, сиениты, порфириты 177

Песчаники, известняки, крепкие магнетиты, сланцы 118-137

Мраморы, доломиты, известняки, сидериты 98

Известняки, песчаники 78,5

Гипсы 49

Песчаные сланцы 39

Каменная соль 20-40

Каменные угли 20

• прочность на скалывание (сдвиг) определяется методом одностороннего

л

среза на приборе Гарановича. Прочность на скалывание аск (Н/см ) определяется как:

Рмах

°ск = —, (1.2)

^ср

где ¥ср- площадь среза образца после испытания. Предел прочности на скалывание у большинства пород составляет от 6 до 10% предела прочности на сжатие. Поэтому желательно, чтобы породоразрушающий инструмент производил в основном скалывание породы.

• твердость породы рш (МПа) определяется по методу вдавливания штампа и характеризует локальную прочность породы при вдавливании в нее дру-

гого более твердого тела. Влияет на величину внедрения в них режущих элементов долот.

Классификация горных пород по рш и ах, предложенная Л.А. Шрейне-ром, приведена в таблице 1.2

Таблица 1.2 - Классификация горных пород (по Л.А. Шрейнеру)

Группа(породы) Категория рш, МПа ат, МПа

I (мягкие) 1 <100 <40

2 100-250 40-110

3 250-500 110-250

4 500-1000 250-550

II (средней твер- 5 1000-1500 550-850

дости) 6 1500-2000 850-1200

7 2000-3000 1200-1900

8 3000-4000 1900-2500

III (твердые) 9 4000-5000 2500-3500

10 5000-6000 3500-4200

11 6000-7000 4200-5100

12 >7000 >5100

Примечание: I группа — высокопластичные и сильнопористые породы (глины, аргиллиты \

наиболее пористые разновидности алевролитов, песчаников и известняков); II группа -

преимущественно пластично-хрупкие (алевролиты, известняки, ангидриты, доломиты 1

песчаники); III - преимущественно хрупкие, изверженные и метаморфические породь

(кремни, кварциты, окремнелые разновидности известняков и доломитов); ат - предел те

кучести.

Измерение твердости по методу Л.А. Шрейнера производится на приборе УМГП-3, позволяющем получить графики деформации непосредственно в процессе испытаний, твердость по штампу определяется как:

Рш = 7е, (1-3)

где Б - поверхность контакта, м2

Ркр - критическое значение нагрузки, соответствующей первому скачку разрушения под штампом, Н

• динамическая прочность породы определяется методом толчения на приборе ПОК (прибор определения крепости)

Динамическая прочность - безразмерная величина, по ее значениям все горные породы подразделяются на шесть групп (таблица 1.3)

Таблица 1.3 - Динамическая прочность горных пород

Показатели Группы пород

I II III IV V VI

Динамическая прочность, Fg 8 и менее 8-16 16-24 24-32 32-40 40 и более

Степень динамической прочности Малая Умеренная Средняя Прочная Очень прочная Исключительная прочность

М.М. Протодьяконовым была разработана обобщающая характеристика горных пород — крепость. По этой классификации все горные породы разделены на 10 категорий, каждая из которых характеризуется определённым значе-

А

нием временного сопротивления сжатию (кг/см ). Эта классификация основана на том, что сопротивляемость горной породы любым видам разрушения может быть выражена одним определенным числом - коэффициентом крепости породы ф, который показывает, во сколько раз крепость данной породы больше или меньше крепости породы, условно принятой за единицу. Ориентировочно коэффициент крепости { может быть равным 0,01 от предела прочности породы при одноосном сжатии [29].

Таблица 1.4 - Классификация горных пород по крепости (шкала Пр