Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка составов промывочных жидкостей с высокой смазывающей способностью для бурения наклонно направленных и горизонтальных скважин

ВАК РФ 25.00.15, Технология бурения и освоения скважин

Автореферат диссертации по теме "Разработка составов промывочных жидкостей с высокой смазывающей способностью для бурения наклонно направленных и горизонтальных скважин"

/ / 1

IV

На правах рукописи

005043608

ЗАКИРОВ Артем Яудатович

РАЗРАБОТКА СОСТАВОВ ПРОМЫВОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ С ВЫСОКОЙ СМАЗЫВАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТЬЮ ДЛЯ БУРЕНИЯ НАКЛОННО НАПРАВЛЕННЫХ И ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СКВАЖИН

Специальность 25.00.15 - Технология бурения и освоения

скважин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 идя 2012

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2012

а

005043608

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном университете.

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор

Николаев Николай Иванович

Официальные оппоненты:

Исмаков Рустэм Адипович доктор технических наук, Уфимский государственный нефтяной технический университет, заведующий кафедрой «Бурение нефтяных и газовых скважин»

Феллер Виктор Валерьевич кандидат технических наук, ООО «Шлюмберже-Восток», инженер газового каротажа

Ведущее предприятие - Ухтинский государственный технический университет.

Защита состоится 29 мая 2012 г. в на заседании диссертационного совета Д 212.224.02 при Санкт-Петербургском государственном горном университете по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд.1166.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного университета.

Автореферат разослан

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета доктор технических наук, профессор

28 апреля 2012 г.

ОНИЩИН В.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации: Укрепление топливно-энергетического комплекса страны за счет добычи углеводородного сырья возможно только при постоянном наращивании объемов бурения. Суммарная проходка за первые восемь месяцев 2011 г. составила примерно 13 тыс.км, что на 10 % больше чем в предыдущем году. Большинство из пробуренных скважин имеют сложное пространственное положение, большой отход от устья и, как следствие, большую протяженность наклонно направленных участков. Так, например, в начале 2011 г. на месторождении «Одопту» пробурена скважина общей протяженностью 12345м, длина горизонтального участка 11475м. В таких условиях значительно увеличивается нагрузка на крюке, увеличиваются растягивающие нагрузки бурильных труб, что приводит к увеличению энергоемкости процесса бурения, росту количества осложнений и аварий.

На участках ствола с пространственным искривлением возникают значительные контактные нагрузки и сопротивления движению бурильной колонны при подъеме, которые приводят к протиранию обсадной колонны и повышенному износу бурильных труб, что в итоге значительно сокращает срок эксплуатации бурового оборудования, тому пример скважина СГ-3, где при подъеме колонны на 70% увеличивался вес на крюке.

Не менее актуальна задача снижения трения при бурении скважин для прокладки инженерных коммуникаций (подводные переходы при строительстве нефтегазопроводов, подземной прокладке труб для электро-, газо-, водоснабжения в условиях городской застройки и др.).

Смазывающую способность буровых растворов улучшают введением специальных смазочных добавок. Всего насчитывается более 100 наименований добавок, но большинство из них не находит применения из-за отсутствия стабильной сырьевой базы, низкой эффективности, неудобной товарной формы, высокой стоимости.

Все перечисленное свидетельствует о необходимости разработки эффективных, недорогих и экологически безопасных

растворов, уменьшающих негативное влияние указанных выше процессов.

Значительный вклад в развитие научных представлений о процессах трения в скважинах, а так же в разработку смазочных добавок к буровым растворам внесли отечественные и зарубежные исследователи: Александров М.М., Ангелопуло O.K., Кистер Э.Г., Жидовцев K.M., Яров А.Н., Ахматов A.C., Конесев Г.В., Мавлютов М.Р., Мойса Ю.Н. Спивак А.И., Исмаков P.A. Литвинец А.Б., Лукманов P.P., Taylor R., Rozenberg M. и др.

Актуальность темы подтверждается ее соответствием плану госбюджетных НИР кафедры бурения скважин СПГГУ.

Целью работы является повышение эффективности строительства наклонно направленных скважин за счет разработки буровых растворов с высокими смазывающими и

противоизносными характеристиками.

Идея работы заключается в использовании в составе буровых растворов реагента с высоким содержанием дитерпенов, являющихся отходом глубокой переработки древесины.

Задачи исследований:

• обзор и анализ современного уровня изученности влияния смазывающих добавок на технологические параметры буровых растворов.

• разработка составов промывочных жидкостей и проведение экспериментальных исследований влияния реагентов-понизителей трения на технологические параметры растворов.

• теоретическое обоснование и разработка методики оценки триботехнических параметров буровых растворов.

• технико-экономическая оценка предложенных разработок.

Методика исследований носила экспериментально-

теоретический характер, включающий в себя комплекс работ по исследованию технологических параметров буровых растворов с высокой смазывающей способностью и стендовые исследования влияния смазочной добавки СДД на абразивный износ бурового оборудования.

Научная новизна заключается в:

установлении зависимости смазывающей и противоизносной способности буровых растворов от концентрации в их составе отходов канифольно-терпентинового производства с высоким содержанием смоляных кислот ряда дитерпенов и положительного влияния указанных отходов на структурно-реологические параметры растворов;

- разработке методики определения триботехнических свойств промывочных жидкостей, позволяющей раскрыть механизм смазочного действия исследуемого объекта.

Защищаемые научные положения:

1. Введение в состав буровых растворов отходов канифольно-терпентинового производства в количестве 0,6-1% способствует снижению коэффициента трения на 50-60% и на 3050% водоотдачи малоглинистых растворов (3-5% дисперсной фазы) при сохранении требуемых структурно-реологических параметров.

2. Разработанная методика оценки триботехнических свойств промывочных жидкостей позволяет раскрыть механизм смазочного действия исследуемого реагента с образованием между трущимися поверхностями граничного разделительного слоя, снижающего износ бурильных и обсадных труб на 60-90%.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций определяется современным уровнем аналитических и достаточным объемом экспериментальных исследований, удовлетворительной степенью сходимости их результатов и воспроизводимостью полученных данных.

Практическая значимость работы заключается в разработке составов буровых растворов с высокими смазочными и противоизносными свойствами для бурения наклонно направленных нефтяных, газовых и технических скважин.

Апробация работы. Основные положения, результаты теоретических и экспериментальных исследований, выводы и рекомендации докладывались на ежегодных научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых Санкт-Петербургского государственного горного университета (Санкт-

Петербург, 2010, 2011); на Международной конференции, посвященной 55-летию кафедры бурения скважин Томского государственного политехнического университета (Томск, 2009); на XIV Международном научном симпозиуме студентов и молодых ученых им. акад. МЛ. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2010); на XI международной молодежной конференции «Севергеоэкотех-2010» (Ухта, 2010); на Всероссийской научно-технической конференции «Нефтегазовое и горное дело» (Пермь, 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 2 статьи опубликованы в журналах, входящих в перечень ведущих журналов и изданий, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России, получено положительное решение на выдачу патента РФ.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка, включающего 102 наименования. Материал диссертации изложен на 142 стр., включает 10 табл., 64 рис. и 2 приложения.

Автор выражает особую благодарность своему научному руководителю Николаеву Николаю Ивановичу за наставления и помощь в организации исследований.

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 результатов теоретических и экспериментальных исследований трения и износа в бурении.

Рассмотрены существующие представления в области смазочной способности буровых растворов.

Проведен обзор существующих направлений разработки смазочных материалов, используемых в настоящее время для уменьшения трения бурильной колонны о стенки скважины. Поставлены цели и задачи исследований.

Во второй главе изложена методика теоретических и экспериментальных исследований. В ней представлены основные параметры буровых растворов, которые необходимо учитывать при бурении наклонно направленных скважин. Описаны приборы, служащие для определения структурно-реологических смазочных свойств промывочных жидкостей, а также методика планирования экспериментов и статистической обработки результатов.

В третьей главе изложены результаты экспериментальных исследований свойств разработанных составов буровых растворов с применением в качестве смазочной добавки отходов канифольно-терпентинового производства с высокой концентрацией дитерпенов (СДД). Указанные отходы взяты на одном из канифольно-терпентинных заводов по переработке живицы, где получают основные виды продукции: скипидар и канифоль.

В частности, исследовано влияние смазочной добавки на коэффициент трения и фильтрационные свойства буровых растворов. Приведены результаты сравнения эффективности различных смазочных добавок. Исследованы структурно-реологические и смазочные свойства разработанных составов буровых растворов. По результатам исследований определена оптимальная концентрация смазочной добавки СДД в буровых растворах.

Влияние реагента СДД на коэффициент трения на границе сталь-сталь представлено на рис.1. Коэффициент трения определялся в относительных единицах на установке УСР-1М. 0,8

0,6

аЗ

I 0,4 0,2

Л

3

г— 1

—»—3% Глинистый р-р глинистый р-р 7%глинистый р-р ■Вода

0,2 0,4 0,6 0,8 1 Концентрация добавки, %

1,2

Рис. 1. Зависимость коэффициента трения от концентрации СДД в растворе

Использование реагента СДД в разработанных составах значительно улучшает смазочные и фильтрационные свойства буровых растворов, при этом реологические параметры также улучшаются, хотя и в меньшей степени, т.е. реагент оказывает полифункциональное воздействие на раствор.

В глинистых растворах с содержанием твердой фазы 3-5%, необработанных химическими реагентами, добавление реагента СДД привело к снижению водоотдачи на 25-20% соответственно (рис.2), при этом коэффициент трения снижается более чем в два

Ив результатов исследований видно, что оптимальная : концентрация в буровом растворе смазочной добавки СДД должна составлять 0,61%. Добавка СДД показала совместимость с такими часто используемыми в бурении химическими реагентами, как КМЦ, ПАА, ШОН, ГКЖ.

Анализ свойств малоглинистых растворов с добавлением реагента СДД показал улучшение

фильтрационных показателей раствора и его смазывающей способности, что соответствует требованиям, предъявляемым к производству современных смазочных добавок. Полученные количественные значения структурно-реологических свойств разработанных составов буровых растворов указывают на возможность их использования при бурении наклонно

направленных скважин.

В четвертой главе представлены результаты исследований триботехнических свойств растворов.

раза.

Показатель фильтрации, см3/30мин «я ж.

-"

0 0,4 0,8 1,2 1,6 2 Концентрация СДД, % —Ф— 3% глинистый раствор —в— 5% глинистый раствор

Рис. 2. Влияние СДД на показатель фильтрации

На основе анализа существующих методов оценки триботехнических свойств промывочных жидкостей разработана новая методика оценки смазочных и противоизносных свойств.

В настоящее время в качестве основных показателей смазочных свойств буровых растворов чаще всего используют коэффициент трения пары сталь-сталь. Для определения коэффициента трения пары сталь-сталь применяются машины трения типа EP/Lubricity Tester (Ofite, США) и УСР-1М (ООО НПК "ЗИП-Магнитоника", Краснодар). При этом указанные установки не предназначены для исследования противоизносных свойств промывочных жидкостей, что, в свою очередь, не дает возможности в полной мере оценить триботехнические свойства применяемых растворов.

Схема узла трения разработанной нами экспериментальной

1 - вращающийся вал;

2 - сьшноеаашюекалшсжлавка;

3 - прижимное кольцо;

4 - прижимная шайба;

5 - место для крепежного болта;

6 - прижимной образец;

7 - шпонка.

Момент прижимной силы Р 0-66 Н-м Время испытаний 10 минут Материал кольца - сталь 45 Материал прижимной вставки -электрокорунд 25А

Рис.3. Схема узла трения образцов

Результаты экспериментов по определению износа на границе сталь45-электрокорунд 25А приведены на рис. 4.

Из графика (рис.4) видно, что введение СДД в раствор снижает износ в 8-9 раз даже при невысокой концентрации добавки в растворе.

За время

эксперимента в растворах без СДД кольцо образует в абразивном материале углубление 1-1,5 мм, что показано на рис. 5.

1 г—..... ................Т.......1' 1

' м 0,8 « 0,7 1 0,6 о ° 0,5 5 0,4 0,3 0,2 од ......._.Л................

и - .......... ............... 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 Концентрация СДД в растворе, % —вода я.....- 3% глинистый —Лс— 5% глинистый

Рис. 4. Зависимость абразивного износа от концентрации СДД в растворе

■вид 1 ЧШЗ|

■ Лунка ^НшВИябмнВНЯНВНП

Рис. 5. Образование лунки в абразивном материале после эксперимента без СДД

Рис. 6. Образование граничного разделительного слоя при введении СДД

На рис. 5 и 6: а - вид спереди; б - вид сверху; в - схема контакта поверхностей трения; г - 4х кратное увеличение.

При добавлении СДЦ износ резко снижается, при концентрации добавки 0,2% величина износа уменьшается с 1,1 до 0,4 г.

На рис. 6 видно, что на поверхности абразивного материала образуется корка, и кольцо не образует углублений в абразивном материале. Корка имеет большое сопротивление продавливанию и низкое сопротивление на срез.

Полученные по разработанной методике величины износа в растворах без добавления смазочного реагента совпадают с VIII классом абразивности пород классификации Л.И. Барона и А.В.Кузнецова.

Проведены исследования по определению износа стали с применением образцов различной степени абразивности. В качестве абразивного материала использованы следующие образцы: мрамор, доломит, песчаник с различной зернистостью.

Анализ полученных результатов показывает, что значения износа в воде, полученные по обеим методикам, в трех случаях сходятся, расхождение в двух случаях составило 16% и 25%.

Применение реагента СДД при концентрации 0,6-1% в растворе снижает износ в 9-10 раз за счет образования между контактирующими поверхностями граничного слоя. Это подтверждается тем, что за время испытаний без добавления СДД, температура растворов в области контактного взаимодействия варьировала от 77 до 97°С (при начальной температуре 30-32°С) из-за различий значений коэффициентов трения между поверхностями на границе металл-порода. С добавлением реагента СДД в растворы теплонапряженность снижалась для всех образцов, что свидетельствует об однотипности трения между поверхностями, следовательно, схема трения принимает следующий вид: металл -граничный слой - порода.

В пятой главе приводится теоретическое обоснование механизма снижения трения и износа при использовании СДД.

С учетом известных представлений о механизме снижения трения работу реагента СДД можно описать следующим образом: в процессе взаимодействия с породой поверхностный слой металлического кольца переходит в активное состояние, на нем адсорбируются смоляные кислоты. Указанные процессы сопровождается окислительными, диффузионными, механическими и другими изменениями, в результате чего образуется новый поверхностный слой. Характер и кинетика указанных процессов находятся в тесной связи с динамическим состоянием фрикционного контакта, обусловленным тепловыми и деформационными изменениями в нем, физико-химическими свойствами всех участвующих во взаимодействии тел, зарядовыми состояниями

сорбирующих поверхностей. Изменения энергетического спектра электронов и зарядовых состояний поверхности металла, вызванные воздействием средь, и стимулируемые ростом температуры и механических напряжений, сопровождаются изменениями физико^ механических и химических свойств поверхностных и приповерхностных слоев. Благодаря подвижности молекул смолян! кислот на поверхности трения адсорбция протекает с большой скоростью, из-за чего смазочная пленка "самозалечивается" при местных повреждениях. твности

Б шестой главе проведена оценка эффективности предложенных разработок на экспериментальном стенде научно-исследовательского" и образовательного центра «Везерфорд^ Политехник». Стенд спроектирован лля проведения испытании образцов бурильных и обсадных труб на износ (рис. /).

«______________________ илт Механизм

Механизм продольного перемещения образца I бурильной трубы

Механизм вращения обсадной тру^ь!

Испытуемый образец

Привод вращения бурильной трубы

Обсадная труба

Бак с буровым раствором 250 л

Рис. 7. Схема стенда Для проведения экспериментов на стенде задавались

следующие параметры:

- значения прижимной нагрузки 50, 100 и 200 кгс;

- скорость вращения вала 60 и 120 об/мин;

- скорость продольного перемещения 5 м/ч;

- длительность эксперимента 60 мин. ^ Образцы бурильной трубы отрезаны от стальной уубы

0127, толщиной стенки 10 мм, длина образцов 65 мм. Труба изготовлена из стали группы прочности М.

12

Образец обсадной трубы изготовлен из стали группы прочности Л: 0244,5, толщина стенки 10 мм.

Для определения эффективности смазочной добавки СДД проведены две серии экспериментов с одинаковыми параметрами:

- с применением в качестве промывочной жидкости воды без добавок;

- с применением в качестве промывочной жидкости воды с добавлением реагента СДД.

Результаты экспериментов по определению износа при промывке водой представлены на рис. 9.

В ходе экспериментов при промывке водой величина момента силы трения изменялась скачкообразно, из-за чего возникали колебания и вибрации в области контактного взаимодействия, причем при уменьшении прижимной нагрузки

Рис. 9 Зависимость износа и момента силы трения от прижимной нагрузки: а - при скорости вращения 120; б - при 60 об/мин

Анализ графиков показывает, что обсадные трубы изнашиваются сильнее бурильных, что объясняется следующими обстоятельствами:

наличием наклепа на образцах бурильных труб и высокой маркой прочности стали бурильных труб;

влияние вибрации на износ имеет обратную зависимость от скорости вращения и оказывают существенное влияние на величину износа.

Установлено, что величина момента силы трения между бурильным и обсадными трубами слабо зависит от скорости вращения, при 120 об/мин момент в среднем на 10% больше, чем при 60 об/мин и линейно зависит от величины прижимной нагрузки;

Результаты экспериментов по определению износа труб в воде с добавлением реагента СДД представлены на рис. 10.

-.ill..! Л

0,2..............0.2............................................ V

50 100 ISO 200 Нагрузка, кгс —*— Износ бурильной трубы, г —S—- Износ обсадной трубы, г —¡ft—Моментсилытремий, кгс-м

100 150 200 Нагрузка, кгс Износ обсадной трубы, г Износ бурильной трубы, г Моментсилытрений, кгс-м

а б

Рис. 10 Зависимость износа и момента силы трения от прижимной нагрузки: а - при скорости вращения 120; б - при 60 об/мин

Анализ графиков показывает, что обсадные трубы изнашиваются интенсивнее бурильных и при промывке жидкостью с улучшенными смазочными и противоизносными свойствами, причины этого те же, что и при промывке водой: более высокая марка прочности материала бурильных труб и разница в величинах удельной работы поверхностей трения.

В результате экспериментов по определению износа труб в воде с добавлением смазочного реагента СДД установлено:

- величина момента силы трения практически не зависит от скорости вращения;

- момент силы трения линейно зависит от величины прижимной нагрузки;

- применение промывочной жидкости с улучшенными смазочными и противоизносными свойствами значительно снижает вибрации и колебания бурильных труб, предотвращает образование наклепа на образцах бурильной трубы.

Использование современных высокоточных датчиков в экспериментальном стенде позволяет в реальном времени получать информацию о величине момента силы трения, и провести сравнения в два этапа:

- оценить динамику изменений значений в ходе экспериментов, что позволит сделать вывод о влиянии реагента СДД на режим трения (рис. 11, 12);

- сравнить значения средних величин момента силы трения, что позволит оценить эффективность смазочного действия реагента СДД.

О 10 20 30 <!0 50 60 0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 60 Время, мин Время, мин Время, мин

Р=200 кгс; п=120об/мин Р=100 кгс; п=120 об/мин р=50 кгс; п=120 об/мин

а б в

Рис. 11. Зависимость момента силы трения от времени при скорости вращения 120 об/мин:

а - при величине прижимной нагрузки 200 кгс; б - при величине прижимной нагрузки 100 кгс; в - пои величине прижимной нагрузки 50 кгс

о | . | . I . | . I . I о | I | . | . ...... о ...... , | . | I | о

о 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 60

Время, мин Время, мим Время, мин

Р=200 кгс; п=60 об/мин Р=100 кгс; п=60 об/мин Р=50 кгс; п=60 об/мин

а б в

Рис. 12. Зависимость момента силы трения от времени при

скорости вращения 60 об/мин:

а - при величине прижимной нагрузки 200 кгс;

б - при величине прижимной нагрузки 100 кгс;

в - при величине прижимной нагрузки 50 кгс

Графики показывают, что при промывке водой без реагента СДД имеют место большие скачки значений момента силы трения, которые сопровождаются сильной вибрацией в области

контактирующих поверхностей, при этом режим трения не нормализовался ни в одном случае.

При промывке с применением реагента СДЦ вибрации и колебания значительно ослабились, изменения момента силы трения незначительны.

Сравнение средних величин моментов силы трения двух серий экспериментов представлено на рис. 13.

Сравнение величин износа бурильных труб двух серий экспериментов представлено на рис. 14.

График рис.13 показывает, что момент силы трения имеет прямолинейную зависимость от величины прижимного усилия. При промывке с добавлением реагента СДЦ момент силы трения уменьшается в 3-6 раз.

Рис. 13. Зависимость момента силы Рис. 14. Зависимость износа бурильных

трения от прижимной нагрузки труб от прижимной нагрузки

Из графика рис. 14 следует, что применение реагента СДД значительно снижает износ бурильных труб:

- при нагрузке 200 кгс снижение износа 2,5-6,5 раз;

- при нагрузке 100 кгс износ уменьшается в 4 раза при высокой частоте вращения, и практически отсутствует при малых оборотах;

- при нагрузке 50 кгс износ практически отсутствует.

50 100 150 200

Прижимное усилие, кгс

—IS— Вода+СДД (60 об/мин) —Вода+СДД (120 об/мин) —€h~ Вода (60 об/мин)

____

loci2 150 Прижимное усилие, кгс —л— Вода+СДД (60 об/мин) —*>— Вода+СДД (120 об/мин) НО— Вода (60 об/мин) —О— Вода (120об/мин1

Установлено, что при промывке без смазочного реагента возникают вибрации, обусловливающие высокие значения износа, наиболее сильные вибрации наблюдались при малых нагрузках, в следствии чего износ образцов при нагрузке 50 кгс больше, чем при 100 кгс.

Сравнение величин износа обсадных труб двух серий экспериментов представлено на рис. 15.

0,77

50 100 150

Прижимное усилие, кгс —в— Вода+СДД (60 об/мин) > Вода+СДД (120 об/мин) —О— Вода (60 об/мин) —О— Вода(120 об/мин]

Рис. 15. Зависимость износа обсадных труб от прижимной нагрузки

График показывает значительное снижение износа обсадных труб при промывке водой с добавлением реагента СДД:

- при нагрузке 200 кгс снижение износа 7-10 раз;

- при нагрузке 100 кгс износ уменьшается в 13 раз при высокой частоте вращения и практически отсутствует при малых оборотах;

- при нагрузке 50 кгс износ практически отсутствует.

Экономический эффект от применения отходов канифольно-терпентинного производства определялся как произведение потребного объема бурового раствора, зависящего от проходки в год по стране, на экономию средств от применения отхода. Расчетная экономия средств за год составила 851,2 млн.руб.

Основные выводы и рекомендации;

1. Из-за наличия технологических недостатков, отсутствия стабильной сырьевой базы, высокой стоимости применение большинства существующих смазочных добавок к буровым растворам сильно ограничено.

2. В глинистых растворах с содержанием твердой фазы 3-5%, необработанных химическими реагентами, добавление 0,6-1% реагента СДД приводит к снижению водоотдачи на 25-20% соответственно, при этом коэффициент трения снижается более чем в два раза, т.е. реагент оказывает полифункциональное воздействие на раствор. Реагент СДД совместим с часто используемыми в бурении химическими реагентами, значительно улучшает смазочные свойства буровых растворов, при этом реологические параметры также улучшаются, хотя и в меньшей степени.

3. Разработанная методика позволяет в широком диапазоне воспроизводить энергетическую загрузку контактирующих поверхностей и условия охлаждения и смазки, что позволяет реально оценивать смазочные и противоизносные свойства промывочной жидкости.

4. Добавление реагента СДД в водные растворы создает смазочный граничный слой между контактирующими поверхностями, что способствует уменьшению износа. При концентрации 0,6-1% в растворе износ снижается в 9-10 раз в породах высокой степени абразивности и практически отсутствует в малоабразивных и породах средней степени абразивности; значительно ослаблятся вибрации и колебания, возникающие при взаимодействии труб; снижаются затраты энергии на преодоления трения труб на 60-80% в зависимости от контактных напряжений.

5. Стендовые и производственные испытания свидетельствуют об эффективности применения отходов канифольно-терпенитового производства в качестве смазочной добавки к буровым растворам для бурения наклонно направленных и горизонтальных скважин.

6. Рекомендуется продолжить исследования влияния компонентов реагента СДД на процесс формирования фильтрационной глинистой корки и процессы коррозионного износа бурового оборудования.

Содержание диссертации отражено в следующих печатных работах:

1. Закиров А.Я., Вафин P.M., Леушева E.JI. Использование промышленных технологических отходов в буровых растворах//Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море.-М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2011.- №8.-С. 34-36.

2. Вафин P.M., Закиров А.Я. Биополимер К.К. Робус как регулятор структурно-реологических свойств промывочных жидкостей // Нефтяное хозяйство. - М., 2011. - №12. - С. 92-94.

3. Закиров А.Я. Предварительные результаты исследований трибологических свойств смазывающей добавки для буровых растворов на основе абиетиновых кислот // Проблемы геологии и освоения недр: Труды XIV Международного симпозиума им. акад. М.А. Усова студентов и молодых ученых. - Томск: Издательство Томского политехнического университета, 2010. - С. 160-163.

4. Николаев Н.И., Дернов Д.А., Вафин P.M., Закиров А.Я., Леушева Е.Л. Результаты исследований свойств безглинистых промывочных жидкостей на основе акриловых полимеров // Ашировские чтения: Сб. трудов Международной научно-практической конференции. Том П - Самара: Самар. гос. техн. ун-т,

2010.-С. 50-54.

5. Вафин P.M., Закиров А.Я. Предварительные результаты исследований и перспективы применения промывочных жидкостей для бурения скважин в сложных горно-геологических условиях И XI международная молодежная научная конференция «Севергеоэкотех-2010». Ухта: УГТУ, 2010. 4.4. - С.13-17.

6. Николаев Н.И., Закиров А.Я., Вафин P.M., Мелехин A.A. Утилизация отходов промышленных производств посредством использования их при строительстве скважин // Экология и развитие общества. -МАНЭБ. 2011 №1-2.-С. 54-58.

7. Закиров А.Я. Оценка эффективности применения смазочной добавки СДЦ в малоглинистых и безглинистых буровых растворах // Научные исследования и инновации. - Издательство ПГТУ. - Пермь,

2011. - Том 5, №2. - с.45-48.

Получено положительное решение на выдачу патента «Буровой раствор», заявка № 2011101277 от 12.11.2011.

РИЦ СПГГУ. 20.04.2012. 3.272 Т. 100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Закиров, Артем Яудатович, Санкт-Петербург

61 12-5/3880

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Закиров Артем Яудатович

РАЗРАБОТКА СОСТАВОВ ПРОМЫВОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ С ВЫСОКОЙ СМАЗЫВАЮЩЕЙ СПОСОБНОСТЬЮ ДЛЯ БУРЕНИЯ НАКЛОННО НАПРАВЛЕННЫХ И ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СКВАЖИН

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 2012

Введение.......................................................................................................................4

ГЛАВА 1. ОБЗОР РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТРЕНИЯ И ИЗНОСА В БУРЕНИИ.....................................................................................................................7

1.1 Трение и износ в бурении..............................................................................7

1.2 Износ бурильных и обсадных труб.............................................................13

1.3 Применяемые методы исследования смазочных.......................................15

свойств буровых растворов......................................................................................15

1.4 Выводы по главе 1. Постановка цели и задач исследования....................22

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ..........23

2.1 Состав и свойства промывочных жидкостей. Технологические параметры буровых растворов.................................................................................23

2.2 Оборудование для оценки свойств буровых растворов............ .................27

2.3 Методика обработки экспериментальных данных....................................27

2.4 Выводы по главе 2........................................................................................31

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА СОСТАВОВ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ С СОДЕРЖАНИЕМ СМАЗОЧНОЙ ДОБАВКИ НА ОСНОВЕ ДИТЕРПЕНОВ.... 32

3.1 Оценка эффективности различных смазывающих добавок.....................32

к буровым растворам.................................................................................................32

3.2 Исследование влияния отходов канифольно-терпентинового производства с высоким содержанием дитерпенов на смазывающие и фильтрационные свойства буровых растворов......................................................36

3.3 Разработка модифицированных составов малоглинистых буровых растворов с улучшенными смазочными характеристиками.................................40

3.4 Исследование технологических параметров разработанных составов буровых растворов. Анализ полученных результатов...........................................42

3.5 Выводы по главе 3........................................................................................50

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ.....................................................................51

4.1 Разработка экспериментальной установки и методики оценки триботехнических свойств буровых растворов......................................................52

4.2 Исследование противоизносных свойств буровых растворов на разработанном стенде................................................................................................54

4.3 Выводы по главе 4........................................................................................67

ГЛАВА 5. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ МЕХАНИЗМА СНИЖЕНИЯ ТРЕНИЯ И ИЗНОСА БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БУРОВОГО РАСТВОРА С УЛУЧШЕННЫМИ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИМИ

СВОЙСТВАМИ.........................................................................................................69

5. 1 Анализ механизма трения и износа..................................................................69

5.2 Анализ механизма смазочного действия реагента на основе отходов канифольно-терпентиновош производства с высоким содержанием дитерпенов.........................72

5.3 Выводы по главе 5...............................................................................................75

ГЛАВА 6. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРЕДЛАГАЕМЫХ РАЗРАБОТОК НА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОМ СТЕНДЕ ИМИТИРУЮЩЕМ УСЛОВИЯ СКВАЖИНЫ..............................................................................................................76

6.1 Описание стенда и методики проведения экспериментов..............................77

6.2 Определение износа труб при промывке водой без добавок..........................85

6.3 Определение износа труб при промывке с применением отходов канифольно-терпентинового производства с высоким содержанием дитерпенов в качестве смазочной добавки к буровым растворам..........................................103

6.4 Оценка эффективности отходов канифольно-терпентинового производства с высоким содержанием дитерпенов........................................................................118

6.5 Оценка экономической эффективности от использования отходов канифольно-терпентинового производства в буровых растворах.....................128

6.6 Выводы по главе 6......................................................................................131

Список использованной литературы.....................................................................132

ПРИЛОЖЕНИЕ №1.................................................................................................142

Введение

Актуальность

Укрепление топливно-энергетического комплекса страны за счет добычи углеводородного сырья возможно только при постоянном наращивании объемов бурения. Суммарная проходка за первые восемь месяцев 2011 г. составила примерно 13 тыс.км, что на 10 % больше чем в предыдущем году. Большинство из пробуренных скважин имеют сложное пространственное положение, большой отход от устья и, как следствие, большую протяженность наклонно направленных участков. Так, например, в начале 2011 г. на месторождении «Одопту» пробурена скважина общей протяженностью 12345м, длина горизонтального участка 11475м. В таких условиях значительно увеличивается нагрузка на крюке, увеличиваются растягивающие нагрузки бурильных труб, что приводит к увеличению энергоемкости процесса бурения, росту количества осложнений и аварий.

На участках ствола с пространственным искривлением возникают значительные контактные нагрузки и сопротивления движению бурильной колонны при подъеме, что приводит к протиранию обсадной колонны и повышенному износу бурильных труб, что в итоге значительно сокращает срок эксплуатации бурового оборудования, тому пример скважина СГ-3, где при подъеме колонны на 70% увеличивался вес на крюке.

Не менее актуальна задача снижения трения при бурении скважин для прокладки инженерных коммуникаций (подводные переходы, при строительстве нефтегазопроводов, подземной прокладке труб для электро-, газо-, водоснабжения в условиях городской застройки и др.).

Смазывающую способность буровых растворов улучшают введением специальных смазочных добавок. Всего насчитывается более 100 наименований добавок, но большинство из них не находит применения из-за отсутствия

стабильной сырьевой базы, низкой эффективности, неудобной товарной формы,

высокой стоимости.

Все перечисленное свидетельствует о необходимости разработки эффективных, недорогих и экологически безопасных растворов, уменьшающих негативное влияние указанных выше процессов.

Целью работы является повышение эффективности строительства наклонно направленных скважин за счет разработки буровых растворов с высокими смазывающими и противоизносными характеристиками.

Основная идея работы заключается в использовании в составе буровых растворов реагента, улучшающего их технологические параметры, с высоким содержанием дитерпенов, что является отходом глубокой переработки древесины.

Научная новизна данной работы заключается:

в установлении зависимости смазывающей и противоизносной способности буровых растворов от концентрации в их составе отходов канифольно-терпентинового производства с высоким содержанием смоляных кислот ряда дитерпенов и положительного влияния указанных отходов на структурно-реологические параметры растворов;

в разработке методики определения триботехнических свойств промывочных жидкостей, позволяющей раскрыть механизм смазочного действия исследуемого объекта.

Защищаемые положения:

1. Введение в состав буровых растворов отходов канифольно-терпентинового производства в количестве 0,6-1% способствует снижению коэффициента трения на 50-60% и на 30-50% водоотдачи малоглинистых растворов (3-5% дисперсной фазы) при сохранении требуемых структурно-реологических параметров.

2. Разработанная методика оценки триботехнических свойств промывочных жидкостей позволяет раскрыть механизм смазочного действия

исследуемого реагента с образованием между трущимися поверхностями граничного разделительного слоя, снижающего износ бурильных и обсадных труб на 60-90%.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций

определяется современным уровнем аналитических и достаточным объемом экспериментальных исследований, удовлетворительной степенью сходимости их результатов и воспроизводимостью полученных данных.

Практическая значимость работы заключается в разработке составов буровых растворов с высокими смазочными и противоизносными свойствами для бурения наклонно направленных нефтяных, газовых и технических скважин.

Апробация работы.

Основные положения, результаты теоретических и экспериментальных исследований, выводы и рекомендации докладывались на ежегодных научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых Санкт-Петербургского государственного горного университета (Санкт-Петербург, 2010, 2011); на Международной конференции, посвященной 55-летию кафедры бурения скважин Томского государственного политехнического университета (Томск, 2009); на XIV Международном научном симпозиуме студентов и молодых ученых им. акад. М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2010); на XI международной молодежной конференции «Севергеоэкотех-2010» (Ухта, 2010); на Всероссийской научно-технической конференции «Нефтегазовое и горное дело» (Пермь, 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 2 статьи опубликованы в журналах, входящих в перечень ведущих журналов и изданий, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России, получено положительное решение на выдачу патента РФ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТРЕНИЯ И ИЗНОСА В

БУРЕНИИ

1.1 Трение и износ в бурении

Современные условия бурения характеризуются разнообразием и сложностью геологического строения месторождений, сравнительно большой глубиной бурения, сложными конструкциями скважин и диктуют необходимость постоянного совершенствования технологии и техники бурения скважин. В таких условиях значительно увеличиваются нагрузки на буровое оборудование и его износ, что приводит к увеличению энергоемкости процесса бурения, росту количества осложнений и аварий [3, 54-57].

Однако, даже при использовании современных технологий в области строительства глубоких скважин, зачастую не удается избежать осложнений и аварий, снижающих эффективность бурения в целом.

На борьбу с осложнениями в глубоком бурении затрачивают в среднем до 20-25% календарного времени. Причем на практике одно возникшее осложнение нередко влечет за собой другое (поглощение бурового раствора может вызвать приток из высоконапорного горизонта; осыпи и обвалы - затяжку инструмента и т.д.), а сочетание нескольких осложнений в одном стволе чрезвычайно усложняет задачу их ликвидации и приводит к значительным затратам календарного времени и средств [39-41].

Трудности, обусловленные большим крутящим моментом и силами натяжения, больше всего наблюдаются в наклонных скважинах с большими зенитными углами и в скважинах с горизонтальными участками [3, 10]. Бурильная колонна лежит на нижней стенке скважины и имеет большую площадь контакта с породой и обсадной колонной. В таких условиях значительно возрастают силы трения между контактирующими поверхностями.

Большое трение инструмента о стенки скважины и (или) обсадной колонны приводит к увеличению вероятности возникновения различных осложнений (прихваты колонны обвалившимися породами, заклинивание колонны в желобной выработке, дифференциальные прихваты) обуславливает повышенный износ бурового оборудования [28].

Для снижения силы трения между бурильной колонной и стенкой скважины в настоящее время чаще всего применяют буровые растворы с улучшенными смазочными свойствами.

Улучшение смазочных (триботехнических) свойств буровых растворов, как правило, достигается путем введения в них специальных смазочных добавок, при этом снижение силы трения позволяет:

- уменьшить крутящий момент при вращении колонны бурильных труб и снизить сопротивление при ее продольном перемещении в наклонных и горизонтальных участках скважины, что в целом снижает энергоемкость процесса бурения [4, 7, 10, 54];

- снизить вероятность возникновения дифференциальных прихватов и затраты на их ликвидацию [73, 77, 89, 92];

- повысить ресурсы работы бурильных труб и их соединений, гидравлических частей буровых насосов, забойных двигателей и породоразрушающего инструмента [39, 40].

Существует взаимосвязь триботехнических свойств промывочных жидкостей и смазочных материалов с технико-экономическими показателями строительства скважин. Буровые растворы с улучшенными смазочными свойствами обеспечивают повышение скоростей бурения, увеличение проходки на долото, уменьшается количество трудоемких спуско-подъемных операций, снижается энергоемкость процесса бурения. Благодаря применению специальных смазочных добавок достигают существенного уменьшения материальных затрат, снижения себестоимости метра проходки.

Поиск путей улучшения смазочных свойств буровых растворов с применением добавок смазочного действия всегда был и остается предметом специальных исследований.

Отечественные и зарубежные исследователи, осуществляя поиск эффективных смазочных добавок, обращали внимание на разные аспекты их действия.

И.В. Крагельский, Е.Г. Кистер, М.Ш. Кендис, A.M. Яров, А.И. Пукас при изучении механизма смазочного действия рассматривали адгезионное взаимодействие тел и механическое взаимодействие поверхностей трения, что легло в основу молекулярно-механической теории трения. Исследованиям трения и износа при наличии смазочных слоев, которые образованы полярными углеводородными соединениями, посвящено много трудов A.C. Ахматова, Б.В. Дерягина, Г.И. Фукса [36-38, 43, 96, 97].

Г.И. Фукс отмечает, что смазочная способность определяется как поверхностное свойство жидкостей, благодаря которому они снижают сопротивление взаимному сдвигу взаимодействующих тел и одновременно препятствуют сближению этих тел. Жидкость может обладать смазочной способностью только в том случае, если проявляются оба эффекта одновременно [91].

Предложенное Г.И. Фуксом определение смазочной способности сред наиболее точно отражает ее физическую сущность. Однако при ее оценке смазочного действия среды необходимо учитывать не только ее свойства, но и взаимодействие твердых тел между собой. В соответствии с терминологией И.В. Крагельского в процессе взаимодействия образуется «третье тело» -совокупность граничного слоя жидкости и поверхностных пленок твердых тел [40,41,43,44].

Г.В. Конесев, М.Р. Мавлютов, А.И, Спивак исследовали взаимосвязь противоизносных и смазочных свойств буровых растворов. Всю совокупность технологических свойств буровых растворов они объединили в пять групп: 1)

реологические свойства, 2) плотность, 3) фильтрационные свойства, 4) химическая активность по отношению к горной породе, 5) противоизносные и смазочные свойства. Первые 4 группы принято называть общетехнологическими. Исследования указали на важность определения взаимовлияния общетехнологических свойств и противоизносных и смазочных свойств буровых растворов, многообразие форм этой связи. Так же исследования показывают, что улучшение триботехнических свойств промывочных жидкостей - эффективное средство снижения энергетических затрат на бурение, профилактику и ликвидацию осложнений и аварий, связанных с прихватами бурильной колонны и приборов в скважине. Например, при использовании вместо жидкостей на водной основе гидрофобно-эмульсионных растворов на 2530% снижаются потери энергии на трение бурильной колонны о стенки наклонных скважин [39-41].

В [53-57] на основании обзора отечественных публикаций по вопросам современных тенденций и приоритетных направлений работ в области разработки и производства смазочных добавок к буровым растворам отмечается, что:

• для разработки смазочных добавок используют специально синтезированные химические продукты: модифицированные жиры, сложные эфиры растительных масел, соли жирных кислот, многоатомные спирты, а также побочные продукты и отходы пищевых и нефтехимических производств;

• смазочные добавки для буровых растворов в большинстве случаев представляют собой сложные многокомпонентные композиции, обладающие полифункциональным действием на буровой раствор и

границы пар трения;

• эффективность действия смазочных добавок зачастую повышают введением специальных модификаторов, например диспергаторов,

обеспечивающих высокую коллоидную растворимость жиров и алифатических углеводородов, входящих в смазочную добавку;

• современные смазочные добавки в ос�