Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Улучшение триботехнических свойств буровых промывочных жидкостей применением добавок комплексного действия

ВАК РФ 25.00.15, Технология бурения и освоения скважин

Автореферат диссертации по теме "Улучшение триботехнических свойств буровых промывочных жидкостей применением добавок комплексного действия"

На правах рукописи

и

ЯХИН АРТУР РАМИЛЕВИЧ

УЛУЧШЕШ1Е ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ БУРОВЫХ ПРОМЫВОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ ПРИМЕНЕНИЕМ ДОБАВОК КОМПЛЕКСНОГО ДЕЙСТВИЯ

Специальность 25.00.15 - «Технология бурения и освоения скважин»

2 7 МАЙ 2015

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005569472

Уфа-2015

005569472

Работа выполнена на кафедре «Бурение нефтяных и газовых скважин» в ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет». Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Исмаков Рустэм Адипович Официальные оппоненты: Николаев Николай Иванович

доктор технических наук, профессор кафедры бурения скважин Национального минерально-сырьевого университета «Горный» (г. Санкт-Петербург) Яковлев Игорь Григорьевич кандидат технических наук, доцент кафедры «Бурение нефтяных и газовых скважин» Тюменского государственного нефтегазового университета

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Самарский государственный

технический университет»

Защита состоится «24» июня 2015 года в 14.30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.289.04 при ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет» по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

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

Автореферат диссертации разослан « У£ » О-Ь 2015г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Ямалиев Виль Узбекович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

Повышение эффективности труда и снижение себестоимости метра проходки в бурении непосредственно связаны с производительностью и долговечностью работы бурильного инструмента (БИ). В процессе буррния скважин со сложным, многоинтервальным профилем в тяжелых геологических условиях возникает проблема изнашивания БИ, особенно при современных глубинах, отходах и термобарических условиях. Одним из путей повышения работоспособности бурильного инструмента в этих условиях является совершенствование состава смазочно-охлаждающей жидкости, в качестве которой в бурении применяется промывочная жидкость (БПЖ), состав и общетехнологические свойства которой существенно варьируются.

Свойства промывочных жидкостей, в среде которых работают колонна бурильных труб и породоразрушающий инструмент (ПРИ), определяются во многом специфическими взаимодействиями между компонентами жидкости, частицами выбуренного шлама и металлом, включая виды физической и химической адсорбции, химические реакции. Различные коррозионно-активные примеси в пластовых флюидах и БПЖ усиливают абразивный, усталостный, тепловой виды изнашивания бурильного инструмента, в том числе вооружения породоразрушающего инструмента. Поэтому вопросам защиты БИ от коррозии также уделяется большое внимание.

Износостойкость и антикоррозионная защита узлов трения во многом зависит от смазочного материала, специально вводимого в промывочную жидкость. Применение соответствующих химических соединений в качестве добавок комплексного действия (ДКД) является наиболее доступным, легко реализуемым и эффективным способом улучшения технико-экономических показателей бурения. Поэтому научные исследования, направленные на разработку различных ДКД, изучение их физико-химических свойств, способов эффективного экспрессного выбора, являются актуальными.

Целью диссертационной работы является разработка эффективной добавки комплексного действия к буровым промывочным жидкостям на водной основе, улучшающей противоизносные и антифрикционные свойства пары трения «металл — горная порода».

Основные задачи:

1. Модернизация машины трения АИ-3, с целью совершенствования систем нагружения и измерения силы трения применительно к абразивному изнашиванию элементов бурильного инструмента в среде различных БПЖ.

2. Анализ эффективности применяемых в современной практике бурения промывочных жидкостей, смазочных добавок и реагентов комплексного действия для снижения интенсивности абразивного изнашивания и коэффициента трения бурильного инструмента о горную породу.

3. Обоснование выбора эффективных компонентов ДКД, улучшающих триботехнические и антикоррозионные свойства БПЖ с привлечением методов нестационарного электрохимического анализа и триботехнических испытаний.

4. Обоснование выбора эффективных добавок комплексного действия методами многомерного статистического анализа данных триботехнических и нестационарных электрохимических исследований.

5. Опытно-промысловые испытания разработанной добавки комплексного действия в условиях бурения нефтегазовых скважин.

Методы решения задач включают теоретические и экспериментальные исследования противоизносных, антифрикционных, антикоррозионных и общетехнологических свойств БПЖ с применением методов планирования эксперимента и статистической обработки результатов опытов.

Научная новизна

1. Разработаны диагностические критерии для выбора компонентов, входящих в состав ДКД к безглинистым биополимерным растворам, по соотношению величин площадей под кривыми восходящей и нисходящей ветвей цикловольтамперограммы и значению максимального смещения потенциала рабочего электрода при гальванодинамической поляризации в анодную сторону.

2. Установлено, что при испытаниях на абразивное изнашивание стали 40ХН в среде безглинистых биополимерных растворов использование добавки БКР-5М приводит к расширению области работы с минимальным значением коэффициента трения на 22% и улучшению смазочной способности в 1,4 раза по сравнению с исходным раствором.

На защиту выносятся:

1. Результаты исследований триботехнических и антикоррозионных свойств различных БПЖ, обработанных базовыми и опытными ДКД, полученными на основе побочных продуктов, отходов производств, возобновляемого растительного сырья и некоторых целевых продуктов нефтехимии.

2. Рецептура реагента БКР-5М и технология применения опытных добавок комплексного действия.

3. Методический подход к подбору и разработке ДКД, заключающийся в сочетании методов определения показателей триботехнических свойств различных БПЖ и нестационарных электрохимических исследований с привлечением многомерного статистического анализа обработки экспериментальных данных.

Практическая ценность работы

1. Разработан реагент комплексного действия БКР-5М для улучшения триботехнических и антикоррозионных свойств буровых промывочных жидкостей, успешно прошедший промысловые испытания при бурении скважины № 2769 Арланского месторождения ООО «Таргин-Бурение».

2. Технология получения реагента БКР-5М освоена опытным производством ООО «Башхимпром» г. Уфа (согласно ТУ 2458-007-507805462014). Разработана и утверждена в ООО «Башхимпром» инструкция по технологии применения реагента комплексного действия БКР-5М.

3. Разработанная методика определения триботехнических свойств промывочных жидкостей на установке АИ-ЗМ и материалы диссертационной работы используются в учебном процессе в виде электронного учебно-

методического пособия «Изучение триботехнических свойств промывочных жидкостей применительно к паре трения «буровой инструмент - стенка скважины», при чтении лекций по дисциплинам «Буровые промывочные жидкости», «Промывочные жидкости и промывка скважин сложного профиля», при выполнении научно-исследовательских, дипломных работ бакалавров, обучающихся по профилю «Бурение нефтяных и газовых скважин», и диссертаций магистрантов направления 131000 «Нефтегазовое дело».

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы представлены в материалах: VII Всероссийской научно-технической конференции «Геология и нефтегазоносность Западно-Сибирского мегабассейна» (г. Тюмень, 2011 г.); XIII Международной научной конференции «Трибология и надежность» (г. Санкт-Петербург, 2013 г.); 64-ой научно-технической конференция студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ (г. Уфа, 2013 г.); XV Международной молодежной научной конференции «Севергеоэкотех-2014» (г. Ухта, 2014 г.); Открытой молодежной научно-практической конференции ООО «Татнефть-РемСервис» (г. Альметьевск, 2014 г.); VII Конкурсе молодежных разработок по актуальным вопросам производственно-экономической деятельности ООО «Аргос» (г. Самара, 2014 г.).

Публикации по результатам исследований

По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, патент на полезную модель.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа изложена на 145 листах машинописного текста и состоит из введения, 4 глав, библиографического списка литературы из 118 наименований, содержит 49 рисунков, 42 таблицы и 5 приложений.

Автор выражает глубокую благодарность за помощь сотрудникам кафедры «Бурение нефтяных и газовых скважин», научному руководителю

д.т.н., профессору Исмакову P.A., д.т.н., профессору Конесеву Г.В. и начальнику отдела№5 ОАО НПП «Азимут» Асфандиарову Л.Х.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследований, дана краткая характеристика работы.

В первой главе работы рассмотрены вопросы, связанные с проблемой повышения долговечности работы бурильного инструмента при абразивном изнашивании. Проведен обзор экспериментальных методов оценки триботехнических свойств БПЖ и средств повышения износостойкости бурильного инструмента. Также рассмотрены вопросы, связанные с разработкой смазочных добавок, улучшающих триботехнические свойства БПЖ.

Проведённые исследования отечественных и зарубежных учёных Л.А. Шрейнера, Э.Г. Кистера, П.А. Ребиндера, Е.Ф. Эпштейна, В.Б. Гарди, Г.И. Фукса, Г.В. Конесева, А.И. Спивака, А.Н. Попова, М.Р. Мавлютова, А.И. Голованова, Г.В. Виноградова, С.Н. Бастрикова, Л.П. Вахрушева, Т.Д. Дихтярь, Р.Н. Загидуллина, B.C. Любимова, Т.А. Мотылевой, А.И. Острягина, Б.В. Дерягина и др. внесли значительный вклад в установление характера и механизма влияния среды на изнашивание взаимодействующих тел.

В настоящее время в основном все исследовательские работы, посвященные вопросам повышения износостойкости бурильного инструмента, тесно связаны с созданием новых материалов, обладающих необходимыми объемными и поверхностными свойствами, и разработкой смазочных композиций, добавок комплексного действия, способствующих формированию износостойких поверхностей трения. Последний путь является наиболее легко реализуемым и требующим минимальных материальных и временных затрат. Управление триботехническими свойствами промывочных жидкостей, используемых при бурении нефтегазовых скважин, является одним из основных и результативных методов повышения эффективности строительства скважин.

Смазочные добавки и реагенты комплексного действия, применяемые в современной практике бурения, практически не испытываются на трение и абразивное изнашивание БИ о стенки скважины. Однако именно в контакте с горной породой происходят прихваты бурильной колонны, а строительство сложнопрофильных и пологих скважин вызывает более интенсивное изнашивание БИ. Свойства отечественных, импортных смазочных добавок и реагентов комплексного действия недостаточно изучены в различных условиях бурения и для различных БПЖ, в частности для безглинистых биополимерных растворов. Поэтому в большинстве случаев такие добавки не способны достаточно эффективно функционировать в условиях, характеризующихся большими величинами контактных давлений, высокой или средней абразивностью горных пород, коррозионной активностью среды. Сложный, многогранный характер связи между технологическими параметрами бурового раствора, его триботехническими и антикоррозионными свойствами, условиями процесса трения и абразивного изнашивания требуют дальнейшего изучения, так как взаимосвязь изменений этих параметров в процессе работы бурильного инструмента исследована недостаточно.

Таким образом, проблема разработки и экспрессного выбора эффективных составов добавок комплексного действия, повышающих показатели триботехнических и антикоррозионных свойств БПЖ, является одной из актуальных в современной практике бурения нефтегазовых скважин.

Вторая глава посвящена обоснованию выбора объектов и методов исследований. В ней приведены результаты моделирования процесса трения-изнашивания пары «металл — горная порода», обоснован выбор методик испытаний показателей триботехнических и антикоррозионных свойств буровых промывочных жидкостей.

Изучение триботехнических свойств промывочных жидкостей проводились на модернизированной машине трения АИ-ЗМ, моделирующей процесс абразивного изнашивания по схеме «диск - горная порода». АИ-ЗМ обеспечивает физическое подобие процесса изнашивания элементов БИ:

стальных бурильных труб (СБТ), легкосплавных бурильных труб (ЛБТ) и породоразрушающего инструмента (ПРИ). При модернизации машины трения усовершенствованы системы нагружения и измерения силы трения. Анализ выборок результатов испытаний до и после модернизации установки показал эффективность усовершенствованной методики. На машине трения оценивались следующие триботехнические показатели: скорость изнашивания металла и коэффициент трения пары «диск — горная порода» в исследуемой среде.

Дополнительно определялся коэффициент трения пары «металл — фильтрационная корка» на модифицированном приборе ФСК-2М. Исходя из полученных показаний, оценивались противоприхватные свойства добавок.

Изучение антикоррозионных свойств растворов проводилось нестационарными методами электрохимического анализа. По полученным цикловольтамперометрическим кривым (ЦВА) изучалась кинетика образования - разрушения защитных пленок на поверхности металла. Образование поверхностного защитного слоя или залечивание существующих локальных поверхностных повреждений металла оценивалось по результатам гальванодинамической поляризации (ГДП) рабочего электрода.

В третьей главе приведены результаты экспериментального изучения триботехнических и антикоррозионных свойств современных составов БПЖ и средств управления их свойствами, а также методический подход для объективного выбора наиболее эффективных ДКД.

В соответствии с поставленной задачей были испытаны различные БПЖ, которые представляют основную группу промывочных агентов, используемых в бурении:

- безглинистый биополимерный раствор (ББР): вода + 11% СаСОз + 0,4% ПАЦ НВ + 0,2% Ксантановая камедь (биополимер) + 0,1% Бактерицид «Дарсан» + 0,1% №ОН (основные параметры: плотность р = 1,07 г/см3; условная вязкость УВ = 24 с; показатель фильтрации ПФ = 7см3/30 мин; статическое напряжение сдвига СНСшо = 8,6/9,6 дПа; водородный показатель рН = 9);

- полимерглинистый раствор (ПГР): вода + 4% Бентонит + 0,4% ПАЦ-НВ + 5% СаС03; (основные параметры: р = 1,06 г/см3; УВ=21 с; ПФ=6см3/30 мин; СНС1/10=11/36 дПа; рН=8).

Поскольку на численные значения износа и коэффициента трения существенно влияют условия трения, в опытах использовались реальные образцы (керны) горных пород нефтегазовых месторождений, а изнашиваемые образцы металла изготавливались из материалов, прошедших соответствующую технологическую обработку. Использовались различные по абразивности и твердости образцы горной породы: песчаник №2 (мелкозернистый с карбонатизированным цементом; среднеабразивный; Рш = 1050 Н/мм2); доломит №1 (кристаллический, мелкозернистый; малоабразивный; Рш = 2000 Н/мм2); песчаник №1 (средне-мелкозернистый; выше средней абразивности; Рш = 1300 Н/мм2). Скорость изнашивания определялась для образцов дисков, изготовленных из стали 40ХН, из которой изготавливают замки стальных бурильных труб, сплава Д-16Т (легкосплавные бурильные трубы), долотной стали 19ХГНМА.

Предварительные эксперименты по оценке антифрикционных и противоизносных свойств смазочных добавок и реагентов комплексного действия, применяемых в современной практике бурения скважин, показали, что наиболее эффективным из исследуемых является буровой комплексный реагент БКР-5 (таблица 1). Добавки вводились в базовые растворы ББР и ПГР с концентрацией 1%.

Как видно из таблицы 1, обработка БПЖ на водной основе базовыми добавками улучшает триботехнические свойства раствора в среднем на 8% для ПГР и 11% для ББР. Задача улучшения свойств БКР-5 является актуальной, т.к. указанный реагент и в целом большинство добавок недостаточно эффективны в процессах снижения абразивного изнашивания и трения бурильного инструмента о стенки ствола скважины. Вывод справедлив для всех элементов БИ, которые использовались при исследованиях (СБТ, ЛБТ, ПРИ).

Таблица 1 — Значения скорости изнашивания стали 40ХН и коэффициентов

трения пары «сталь 40ХН - песчаник №2» в среде различных БПЖ

№ Промывочная жидкость Значения скорости изнашивания диска (а, мм/ч) / коэффициента трения (<р) при интенсивности нагрузки Ри, Н/мм

50 88 138

1. ПГР 0,3120/0,565 0,4150/0,643 0,4460 / 0,503

2. ПГР+ 1% Vertead 0,2940/0,540 0,3875/0,600 0,4100/0,470

3. ПГР + 1% AK.S-303 0,3110/0,550 0,3909 / 0,606 0,4299/0,488

4. ПГР + 1% Лубриол 0,3017/0,539 0,3700/0,591 0,4005 / 0,463

5. ПГР +1% Ecolube 0,2903 / 0,533 0,3800/0,589 0,4090 / 0,460

6. ПГР +1% БКР-5 0,2590 / 0,480 0,3740 / 0,558 0,4180/0,470

7. ББР 0,3080 / 0,548 0,4300/0,633 0,4710/0,536

8. ББР +1% Лубриол 0,2300 / 0,470 0,3540/0,569 0,4200/0,473

9. ББР + 1% AKS-303 0,2332 / 0,480 0,3552/0,580 0,4205 / 0,480

10. ББР + 1% Ecolube 0,2800 / 0,488 0,3750 / 0,580 0,4100/0,488

11. ББР + 1% Vertead 0,2690 / 0,482 0,3487 / 0,579 0,4079 / 0,482

12. ББР + 1% БКР-5 0,1840/0,445 0,3500/0,565 0,4120/0,450

Проведены эксперименты с использованием различных эмульсионных растворов: полимерглинистым эмульсионным (ПГЭР) и инвертным эмульсионным (ИЭР), содержащих в составе до 20% и 70% масла ВМГЗ соответственно. Установлено, что перевод буровой промывочной жидкости на водной основе в прямую и гидрофобную эмульсии в 2-3 раза улучшает показатели антифрикционных и противоизносных свойств раствора при абразивном изнашивании СБТ.

На предварительной стадии подбора состава опытных ДКД их компоненты выбирались нами на основании уже имеющейся теоретической информации в литературных источниках и из экспериментальной базы проведенных ранее исследований как в промысловых, так и в лабораторных условиях. С целью решения проблемы трудоемкости и сложности получения достоверной информации о триботехнических свойствах БПЖ были исследованы находящиеся в корреляционной взаимосвязи с ними антикоррозионные характеристики растворов. Поэтому предварительная оценка эффективности выбранных компонентов, входящих в состав ДКД, проводилась с помощью нестационарных электрохимических методов исходя из полученных результатов анализа ЦВА и ГДП.

Принцип подбора компонентов рассмотрим на конкретном примере. На рисунках 1 и 2 представлены кривые, полученные нестационарными методами электрохимического анализа для базового безглинистого биополимерного раствора и ББР с разработанным реагентом БКР-5М. Восходящая и нисходящая ветви ЦВА обозначены «В» и «Н» соответственно.

-600 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300

Потенциал ТТ. мВ

Рисунок 1 - Цикловольтамперограммы (ЦВА) стали, находящейся в контакте с различными БПЖ

1 — ББР

2 — ББР + 1% БКР-5М

Критериями выбора наиболее эффективных компонентов ДКД, исходя из полученных ЦВА, являются:

1) минимальное значение плотности тока коррозии, оцениваемое по величине площадей под восходящей и нисходящей ветвями и значению плотности тока при и = +200 мВ, что свидетельствует об образовании устойчивого защитного слоя на поверхности рабочего электрода, который не позволяет металлу активно корродировать;

2) максимальное значение отношения площадей к В идеальном случае, когда 8В / 8Н > 1 (8В > 8Н), скорость восстановления повреждений защитной пленки, возникающих в процессе локальной коррозии, значительно больше скорости их возникновения и развития.

Плотность тока I. мА/мм2

о.е

2 — ББР + 1% БКР-5М

1 — ББР

2

Рисунок 2 - Кривые смещения потенциада рабочего электрода под влиянием гальванодинамической поляризации (ГДП) анодным током в среде различных БПЖ

Критериями выбора наиболее эффективных компонентов ДКД, исходя из полученных кривых методом ГДП, являются:

1) величина плотности тока при и = 0 мВ и -200 мВ (10 и 1.2оона рисунке 2). Если значение потенциала и остается меньшим нуля в процессе ГДП, то это свидетельствует об образовании слабой, неустойчивой защитной пленки на поверхности металла. Для таких растворов показательным будет значение тока при С/ = -200 мВ. Переход V в область положительных значений свидетельствует о пассивности металла в коррозионно-агрессивной среде, т.е. характеризует лучшие антикоррозионные свойства раствора;

2) скорость образования защитной пленки на поверхности металла, оцениваемая по величине угла [3: чем меньше значение (3, т.е. чем быстрее нарастает потенциал и, тем быстрее происходит залечивание дефектов пленки на поверхности металла, замедляющее процесс коррозии.

В таблице 2 приведены численные значения критериев исследуемых БПЖ. Как видно из приведенных данных, реагент БКР-5М удовлетворяет всем диагностическим показателям и улучшает антикоррозионные свойства базового

раствора: величина плотности тока коррозии на ДВА уменьшилась в 4,25 раза значение 1.200 при ГДП снизилось с 0,371 до 0,071 мАУмм2.

В соответствии с описанными выше теоретическими предпосылками принципами подбора компонентов нами был разработан ряд добаво комплексного действия, позволяющих улучшать триботехнические антикоррозионные свойства промывочных жидкостей в широком диапазон работы БИ. Различные составы опытных добавок, отличающиеся по составу концентрации входящих в них компонентов, условно названы ДКД-«номер».

Для объективного анализа большого объема полученных результата триботехнических и антикоррозионных испытаний, выявления наиболе эффективных добавок, установления корреляционных взаимосвязей был использованы методы математического статистического анализа с применение специализированных программ (Statgraphics, С^тРго).

Первичная обработка данных всех растворов не выявила взаимосвяз между триботехническими и антикоррозионными показателями БПЖ. помощью метода многомерного статистического анализа данных (кластерны анализ) все растворы были разбиты на три группы. Это существенно упростил обработку результатов, позволило отсеять неудачные ДКД и выявить в групп; неочевидные взаимосвязи между исследуемыми показателями БПЖ. Результата экспериментальных исследований различных опытных ДКД приведены таблице 2 (для простоты восприятия представлены только наиболее и наимене эффективные составы БПЖ).

Как видно из приведенных данных, группа III показала наилучшу эффективность по антикоррозионным свойствам БПЖ, что связано добавлением в исследуемый раствор относительно большого количеств формиата натрия (ФН) — до 5%. Однако это негативно сказалось н триботехнических свойствах раствора. Такая зависимость может быть объяснен неполным растворением ФН в исследуемой среде, что привело к выпадению его в осадок и проявлению абразивных свойств. Факт выпадения формиата натрия в осадок можно было наблюдать визуально в электрохимической ячейке в

процессе проведения исследований. Часть добавок, вошедших в группу II, также показали высокие антикоррозионные свойства при относительно средних значениях триботехнических свойств. Их применение в качестве ингибиторов коррозии является перспективным. Наиболее эффективными противоизносными и антифрикционными свойствами обладают составы реагентов, вошедшие в группу I.

Таблица 2 - Основные результаты экспериментальных исследований

№

Состав раствора

ББР

Машина трения АИ-ЗМ (интенс. натр. 88 Н/мм)

мм/ч

0,4300

0,633

Электрохимические методы _исследования

ДВА

8в, мА/ мм2

257,14

Бн, мА/ мм2

287,30

гдп

1о.

мА

1-200, мА

0,371

х1(Г

9,31

ББР + 1% Есо1иЬе

0,3750

ББР + 1% БКР-5

0,580

193,28

0,3500

219,15

ББР + 0,5% БКР-5 -0,5% Девон-3

0,565

186,34

0,392

177,81

8,22

0,386

0,298

7,89

0,3610

0,540

181,91

186,39

0,412

8,24

ББР + 1% ДКД-10

0,2600

0,411

ББР + 1% ДКД-14 (БКР-5М)

22,72

28,53

0,036

0,029

1,39

0,2683

0,367

32,70

23,40

ББР + 1% ДКД-16

0,2580

0,380

ББР + 1% Девон-2

6,21

0,4150

0,108 0,070

0,071

3,45

0,039

ББР + 1% Девон-4

0,630

221,41

0,3770

208,37

0,447

0,577

99,38

0,266

135,33

0,257

0,158

5.36

10.

ББР + 1% ДКД-29

ББР + 1% ДКД-35

0,3102

0,440

1,16

0,3250

0,457

4,53

8,49 5,76

0,099

0,047

3,58

ББР + 1% ДКД-39

0,076

0,062

0,3030

2,94

0,410

11,30

13.

15,54

0,098

ББР+ 1% ДКД-40

0,03

0,3900

3,01

0,579

186,51

250,91

14.

ББР + 4% Формиат натрия

0,29

11,47

0,3980

0,610

6,54

3,14

0,058

0,041

3,47

15.

ББР+ 1% ДКД-18 + 5% Формиат натрия

16.

ББР + 1% Девон-2 + 3% Формиат натрия

0.4000

0,3930

0,580

1.16

0,96

0,036

0,029

2,92

0,607

13,67

5,61

0,046

0,025

3,73

Примечание: а - скорость изнашивания металла; <р - коэффициент трения пары «диск - горная порода»; Эв и Бн - величина плотности тока коррозии по восходящей и нисходящей ветви ЦВА соответственно; 10 и 1.2оо - значение плотности тока в процессе ГДП при достижении потенциала 0 и -200 мВ; Р - коэффициент, характеризующий скорость нарастания потенциала (рисунок 2).

Характер взаимосвязей между исследуемыми свойствами БПЖ для растворов I и II группы, графики регрессии и значения коэффициентов детерминации (Я2) приведены на рисунках 3 и 4.

О 40 80 120 160 200 Плотность тока коррозии Зв. мА/мм2

40 80 120 160 200 240 Плотность тока коррозии Sb. мА/мм2

а) б)

Рисунок 3 - Взаимосвязь между скоростью изнашивания стали 40ХН и плотностью тока коррозии для растворов I (а) и II (б) группы

0,28 0,31 0,34 0,37

Параметры раствора Эв, Бн, 1-200, (р

Рисунок 4 — Взаимосвязь меяаду триботехническими и антикоррозионными] свойствами растворов I группы

Из рисунка 3 видно, что скорость изнашивания металла для растворо? I группы в среднем на 15-16% ниже по сравнению со II группой при равные

значениях плотности тока коррозии. Анализ триботехнических и антикоррозионных свойств показал их высокую степень взаимосвязи в пределах группы. Исходя из приведенных данных регрессионного анализа, были выявлены наиболее эффективные по триботехническим показателям добавки комплексного действия № 16, 10 и 14 (рисунок 4).

Последующий анализ коэффициентов трения пары «металл -фильтрационная корка» на приборе ФСК-2М показал, что добавки ДКД-10 и ДКД-16, содержащие уксуснокислую медь, дали неудовлетворительные результаты. Применение таких ДКД увеличивает вероятность прихвата бурильной колонны с последующими затратами на ликвидацию аварии.

Таким образом, была выбрана оптимальная добавка комплексного действия (ДКД-14 под №6 в таблице 2) к БПЖ на водной основе, названная в дальнейшем реагентом комплексного действия БКР-5М. Его состав был скорректирован путем проведения серии опытов по методу планированного эксперимента (полный факторный эксперимент типа 2к). Исследования по определению оптимальной концентрации реагента БКР-5М в БПЖ показали, что она составляет 1 объемн. %.

Результаты триботехнических исследований реагента БКР-5М в широком диапазоне изменения условий работы БИ приведены на рисунках 5 и 6. Скорость изнашивания определялась для диска из стали 40ХН. В качестве абразива использовался песчаник №2. Базовыми объектами сравнения были выбраны добавки БКР-5 и Есо1иЬе. Для подтверждения результатов триботехнических испытаний, полученных на предварительной стадии исследований с ББР, была выбрана одна из эффективных добавок, вошедших в I группу (ДКД-10). Значения скорости изнашивания металла для добавок БКР-5М и ДКД-10 были усреднены, так как их различие статистически не значимо. В таблице 3 приведены численные значения результатов триботехнических исследований.

40 60 80 100 120

Интенсивность нагрузки Ри, Н/мм

Рисунок 5 - Зависимость скорости изнашивания стали 40ХН (замки СБТ от интенсивности нагрузки в среде различных ББР

0,65 0,60 0,55

э-

1 0,50 о

^ 0,45 и

§ 0,40 к •9-

-Э- 0,35

л о И

0,30 0,25 0,20

1 -»-ББР

2 -*-ББР + 1% ЕсоЫЬе

3 -»-ББР + 1% БКР-5

4 -»-ББР + 1 % ДКД-10

5 -*-ББР + 1% БКР-5М

40 60 80 100 120

Интенсивность нагрузки Ри, Н/мм

Рисунок 6 - Зависимость коэффициента трения пары «сталь 40ХН песчаник №2» от интенсивности нагрузки в среде различных ББР

1-«-ббр

2^ББР+ 1%Есо1иЬе

3-*-ББР+ 1% БКР-5

4-*-ББР + 1% БКР-5М (ББР+ 1%ДКД-10)

Таблица 3 - Значения скорости изнашивания стали 40ХН и коэффициентов трения пары «сталь 40ХН - песчаник №2» в среде различных ББР

№ Промывочная жидкость Значения скорости изнашивания диска (а, мм/ч) / коэффициента трения (<р) при интенсивности нагрузки Р„, Н/мм

50 67 88 107 138

1. ББР 0,3080/0,553 0,3690/0,595 0,4300/0,633 0,4505/0,610 0,4710/0,536

2. ББР + 1% Ecolube 0,2800/0,480 0,3275/0,530 0,3750/0,580 0,3925/0,555 0,4100/0,480

3. ББР + 1% БКР-5 0,1990/0,450 0,2745/0,495 0,3500/0,540 0,3810/0,515 0,4120/0,450

4. ББР + 1% ДКД-10 0,1400/0,335 0,2000/0,373 0,2600/0,411 0,2900/0,412 0,3200/0,373

5. ББР + 1% БКР-5М | 0,1510/0,250 0,2090/0,305 0,2670/0,360 0,2940/0,369 0,3110/0,340

Сравнение реагента БКР-5М с базовыми добавками, применяемыми в бурении, показало его эффективность во всем исследуемом диапазоне изменений интенсивности нагрузки. Применение реагента БКР-5М позволило уменьшить скорость изнашивания стали 40ХН в среднем на 24%, снизить коэффициент трения в среднем на 33% и улучшить антикоррозионные свойства в среднем в 2,4 раза по сравнению с базовыми добавками.

Установлено, что при испытаниях на абразивное изнашивание СБТ применение БПЖ с улучшенными триботехническими показателями приводит к расширению области работы с низкими значениями коэффициента трения на 22% для раствора, обработанного реагентом БКР-5М, и к росту смазывающей способности в 1,4 раза по сравнению с исходньм ББР (рисунок 7). По-видимому, это объясняется пластифицированием поверхности металла при увеличении интенсивности нагрузки, образованием более стойких пленок (граничных слоев) на рабочей поверхности при улучшении антифрикционных свойств раствора.

Аналогичные исследования были проведены с ПГР и с образцами дисков, изготовленных из сплава Д-16Т (легкосплавные бурильные трубы) и долотной стали 19ХГНМА. Результаты триботехнических испытаний показали эффективность разработанного реагента БКР-5М как в полимерглинистом, так и в безглинистом буровых растворах, что подтверждает целесообразность его применения в промысловых условиях и эффективность разработанного принципа подбора ДКД.

0.65-,

0,60 -

0,55 -

гт

X 0.50-

ь 0,45 -

ь

П)

0,40 -

•в--0- 0.35 -

о

0,30 -

0,25 -

0,20

— *— ББР

—т— ББР+ 1%БКР-5 —' — ББР +1% Есо1иЬе -»- ББР + 1% ДКД-14 -— ББР + 1% БКР-5М

40 60 80 100 120

Интенсивность нагрузки Ри, Н/мм

140

Рисунок 7 - Зависимость коэффициента трения пары «сталь 40ХН песчаник №2» от интенсивности нагрузки после аппроксимации

В четвертой главе представлены результаты опытно-промысловы испытаний реагента БКР-5М, проведенных ООО «Таргин-Бурение» г Арланском месторождении Республики Башкортостан при бурении скважин. № 2769. В интервале бурения 2090-2360 м, сложенного преимущественк песчаниками и алевролитами, были отработаны шарошечные долота тип 142,91144АР. Бурение осуществлялось винтовьм забойным двигателем щ промывке безглинистым буровым раствором (р=1,05г/см3; УВ=49 ПФ=3,5см3/30мин; Ктр=0,0699; рН=9) с добавлением 1% БКР-5М. Средня частота вращения долота составляла 180-190 об/мин, нагрузка на долото - ; 100 кН.

Эффективность реагента БКР-5М оценивалась по его влиянию к показатели работы долот, на появление затяжек и прихватов бурильной колонн; в скважине. В качестве базовых объектов сравнения были выбраны аналогичны типы долот, использованные на ранее пробуренной соседней скважине № 2761 литологический разрез, состав БПЖ и режимы бурения которой близки параметрам скважины № 2769.

Сравнение показателей работы долот при промывке раствором с реагентом БКР-5М, выполненное с использованием последовательного анализа Вальда, показало, что проходка на долото увеличилась в среднем на 17% за счет увеличения его стойкости, механическая скорость возросла на 10%. Интервал бурения пройден без осложнений.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Усовершенствована методика триботехнических испытаний пары «металл - горная порода» применительно к взаимодействию бурильного инструмента с горной породой открытого ствола и забоя скважины за счет реконструкции систем создания осевой нагрузки и измерения окружного усилия в испытательном узле машины трения АИ-ЗМ.

2. Выполнен сравнительный анализ влияния применяемых в бурении смазочных добавок и реагентов комплексного действия на показатели триботехнических свойств различных БПЖ применительно к паре трения «металл - горная порода». Установлено, что базовые смазочные добавки улучшают показатели триботехнических свойств буровых промывочных растворов в среднем на 8-11%, что указывает на недостаточную их эффективность для повышения долговечности бурильного инструмента при строительстве скважин.

3. Установлено, что соотношение величин площадей под кривыми восходящей и нисходящей ветвей цикловольтамперограммы и значение максимального смещения потенциала рабочего электрода при гальванодинамической поляризации являются диагностическими критериями эффективности при экспрессном подборе и корректировке состава добавок комплексного действия к буровым промывочным жидкостям.

4. Обоснован и реализован принцип подбора эффективных добавок комплексного действия к БПЖ на водной основе, заключающийся в применении метода многомерного статистического анализа при обработке данных триботехнических и нестационарных электрохимических исследований.

Разработан хорошо совместимый с глинистыми и безглинистыми БПЖ реаген комплексного действия БКР-5М. Установлено, что в среднем для различнь элементов бурильного инструмента его применение в БПЖ снижает скорост абразивного изнашивания на 28%, улучшает смазочную способность на 29% расширяет область работы с минимальным значением коэффициента трения н 20%, повышает показатели антикоррозионных свойств в 2,5 раза по сравнению базовыми смазочными добавками.

5. На реагент комплексного действия БКР-5М утверждена ООО «Башхимпром» техническая документация (ТУ 2458-007-50780546-2014 инструкция по технологии! применения) и проведены успешные промысловы испытания реагента в ООО «Таргин-Бурение».

Основные результаты диссертации опубликованы в следующи научных трудах:

в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ:

1. Яхин, А.Р. Совершенствование методики регистрации силовь параметров работы системы «металл-горная порода» при бурении скважин / А.Р Яхин, И.Ф. Салихов, P.A. Исмаков, Р.Г. Гимаев // Нефтегазовое дело: электрон науч. журнал. - Уфа. №4, 2013. - С. 30^10. URL http://ogbus.ni/authors/Y akhin/Y akhin_2.pdf;

2. Яхин, А.Р. Исследование износостойкости замков бурильных тру при трении о горную породу в различных средах / А.Р. Яхин, Г.В. Конесев, Ф.Н Янгиров, A.M. Фролов // Территория Нефтегаз - Москва. №6, 2014. - С. 28-32;

3. Яхин, А.Р. Применение метода кластерного анализа в задач;, связанных с подбором и разработкой добавок комплексного действия к буровы промывочным жидкостям / А.Р. Яхин, JI.X. Асфандиаров // Нефтегазовое дело электрон, науч. журнал.. - Уфа. №5, 2014. - С. 14-27. URL: http://ogbus.ru/issues/5_2014/ogbus_5_2014_pl4-27_YakhinAR_ru.pdf;

в других изданиях:

4. Пат. на полезную модель 128717 РФ. Прибор для контроля статического и динамического коэффициента трения пары «металл-фильтрационная

корка» I В.Г. Конесев, O.E. Трушкин, И.Ф. Салихов, А.Р. Яхин // Бюл. - 2013. -№15;

5. Исмаков, P.A. Методы контроля и диагностика состояния системы «буровой инструмент - скважина - скважинная жидкость» / P.A. Исмаков, А.Р. Яхин, С.Д. Арсланова // Материалы VII Всероссийская научно-технической конференции «Геология и нефтегазоносность Западно-Сибирского мегабассейна». - Тюмень: ТюмГНГУ, 2011.- С. 13-15;

6. Исмаков, P.A. Исследование влияния различных реагентов на противоизносные и антифрикционные свойства буровых промывочных жидкостей / P.A. Исмаков, В.Р. Рахматуллин, В.Г. Конесев, В.П. Матюшин, А.Р. Яхин, В.Ю. Никитенко, Д.Д. Сумароков // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. Спец. выпуск. - Самара: «Самарский научный центр РАН». 2011, №4(3).- С. 138-140;

7. Яхин, А.Р. Снижение теплонапряженности трения в парах «металл -горная порода» и «металл - металл» применительно к бурению глубоких скважин / А.Р. Яхин, В.Г. Конесев, В.П. Матюшин, И.Ф. Салихов, A.M. Фролов // Трибология и надежность: труды XIII Международной конференции. Под общ. ред. проф. Воинова К.Н., Санкт-Петербург, 2013. - С. 144-151;

8. Лазаренко, A.B. Совершенствование методики износа бурильного инструмента / A.B. Лазаренко, А.Р. Яхин, Ф.Н. Янгиров // 64-я научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ: сб. матер, конф. - Уфа: УГНТУ, 2013 - С.252-253;

9. Яхин, А.Р. Моделирование процесса изнашивания бурильного инструмента нефтегазовых скважин / А.Р. Яхин, A.B. Лазаренко, В.Ю. Иванова, P.A. Исмаков II XV Международная молодежная научная конференция «Севергеоэкотех-2014». Ухта: УГТУ, 2014. - С.60-63;

10. Худоян, В.М. Исследование износа бурильной колонны в различных средах / BJVI. Худоян, У.М. Музафин, А.Р. Яхин // 65-я, научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ: сб. матер, конф. - Уфа: УГНТУ, 2014,- С.97-98.

Подписано в печать 22.04.2015. Бумага офсетная. Формат 60x84 7,6. Гарнитура «Тайме». Усл. печ. л. I, 39. Тираж 90. Заказ 64. Издательство Уфимского государственного нефтяного технического университета Адрес издательства: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1