Біополімерний буровий розчин

Корисна модель стосується полімерних бурових розчинів для буріння газових і нафтових свердловин, а саме безглинистих біополімерних бурових розчинів, які застосовуються для буріння у складних гірничо-геологічних умовах (у тому числі в хемогенних відкладах і при підвищених температурах), а також похило-скерованих та горизонтальних ділянок свердловин. Відома промивальна рідина, яка вміщує, мас. %: вуглелужний реагент (гумати лужних металів), який виконує функцію понижувача фільтрації, - 15; біополімер "енпосан" (на суху речовину) - 0,2-0,5; вода - решта (див. пат. України №47493, МПК 6 С09К 7/00, 7/02, публ. 15.07.2002р., Бюл.№7). Недоліком промивальної рідини є недостатні структурно-реологічні властивості, низький показник виносної здатності рідини і відсутність солестійкості. Відомий біополімерний буровий розчин, призначений для буріння похило-скерованих і горизонтальних стволів свердловин (патент Росії №2236429, МПК 7 С09К 7/02, публ. 20.09.2004р., Бюл. №26), який містить, мас. %: ксантановий біополімер типу Flo-Vis - 0,3-0,5, гуматний реагент (порошкоподібний вуглелужний реагент ПВЛР) - 10,5-15,0, вода - решта. Недоліком даного розчину є недостатня термостійкість (до 80°С) і низька стійкість до іонів полівалентних металів. Відомий безглинистий буровий розчин для розкриття продуктивних горизонтів (найближчий аналог), який містить, мас. %: крохмаль (полімерний понижувач фільтрації) - 1,0-1,5, біополімер - 0,2-0,3, карбонатний обважнювач - 5,0-10,0 спирт (полігліколь) - 3,0-5,0 поверхнево-активну речовину (гідрофобізуюча поверхневоактивна речовина - ПКД-515) - 1,5-2, змащувальну домішку (реагент ДСБ-4ТТ - продукт конденсації моноетаноламіну і сирих талових масел в суміші з гасом, моноетаноламіном і флотореагентом - оксалем) - 0,51,0 і вода - решта [див. патент Росії №2179568, МПК 7 С09К 7/02, публ. 20.02.2002р., Бюл. №5]. У безглинистому буровому розчині для розкриття продуктивних горизонтів крохмаль і карбонатний обважнювач виконують функцію понижувача фільтрації, але присутність у розчині карбонатного обважнювача не дозволяє регулювати густину бурового розчину у бік зменшення. Біополімерний реагент виконує функцію структуроутворювача, але його термостійкість обмежується застосуванням до 120°С. Для забезпечення інгібуючих, змащувальних, фільтраційних і протиприхватних власти востей у запропонованому буровому розчині використовується декілька різних компонентів у високих концентраціях, а саме: гідрофобізуюча поверхневоактивна речовина - ПКД-515 забезпечує збільшення проникності колектора; домішка ДСБ-4ТТ - продукт конденсації моноетаноламіну і сирих талових масел в суміші з гасом, моноетаноламіном і флотореагентом оксалем - використовується для зниження протиприхватних властивостей і покращення змащувальних властивостей; спирти (полігліколь) використовують у якості інгібітора глин і бактерициду, але при цьому вони є високотоксичною речовиною. Крім того, недоліком даного розчину є недостатні структурно-реологічні властивості, а саме: запропонована кількість біополімеру і крохмалю не забезпечує достатні показники в'язкості, динамічного напруження зсуву та пластичну в'язкість, що обмежує його застосування при бурінні горизонтальних свердловин; недостатня термостійкість обмежує його застосування при бурінні у складних гірничо-геологічних умовах (у тому числі в хемогенних відкладах і при підвищених температурах). Задачею даної корисної моделі є зменшення кількості та концентрації компонентів на приготування бурового розчину при збереженні інгібуючих, змащувальних, фільтраційних і протиприхватних властивостей, підвищення структурно-реологічних властивостей та термостійкості, забезпечення солестійкості, зниження шкідливого впливу на навколишнє середовище. Для вирішення поставленої задачі пропонується біополімерний буровий розчин, який вміщує полімерний понижувач фільтрації (крохмаль), біополімер, поверхнево-активну речовину, змащувальну домішку і воду, згідно корисної моделі, як поверхнево-активну речовину і змащувальну домішку містить етилендіаміди жирних кислот (продукт конденсації етилендіаміну і фосфатидного концентрату), як полімерний понижувач фільтрації містить поліаніонну целюлозу або карбоксиметилцелюлозу, або карбоксиметилоксіетилцелюлозу, або оксіетилцелюлозу, або гідролізований поліакрилонітрил, при цьому додатково містить гумати лужних металів (вуглелужний реагент або гуматно-калієвий реагент) та солі лужних та/або лужноземельних металів (КСl, NaCl, СаСl2, MgCl2, бішофі т) при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: крохмаль або поліаніонна целюлоза, або карбоксиметилцелюлоза, або карбоксиметилоксіетилцелюлоза, або оксіетилцелюлоза, або гідролізований поліакрилонітрил 0,1 - 1,0; біополімер ксантанового типу 0,2-0,5; етилендіаміди жирних кислот 0,05-3,0; вуглелужний реагент або гуматно-калієвий реагент 3,0-6,0; КСl, NaCl, СаСl2, MgCl 2, бішо фіт 3,0-40,0; вода решта. Дослідами визначено, що у водному розчині біополімер і гумати лужних металів утворюють нероздільні просторові комплекси, які забезпечують активне функціонування кожного його компоненту в а гресивному середовищі (високі концентрації солей, дія високих температур), де ані гумати, ані біополімер окремо не здатні існувати. При сумісному розчиненні відбувається взаємодія ланцюгів молекул біополімеру з поліаніонами гуматів лужних металів за рахунок утворення великої кількості водневих зв'язків. Така взаємодія макромолекул забезпечує незворотне просторове тривимірне розташування у водному середовищі, активне зв'язування води навіть при агресивній дії високих концентрацій солей і високих температур, що і забезпечує підвищені стр уктурнореологічні властивості і зниження показника фільтрації при низьких концентраціях полімерів. Для зниження показника фільтрації синергетична суміш потребує додаткового застосування полімерних понижувачів фільтрації (крохмаль, поліаніонна целюлоза (ПАЦ), карбоксиметилцелюлоза (КМЦ), карбоксиметилоксіетилцелюлоза (КМОЕЦ), оксіетилцелюлоза (ОЕЦ), гідролізований поліакрилонітрил (гіпан)). Використання етилендіамідів жирних кислот дозволяє зменшити кількість і концентрацію компонентів у складі бурового розчину за рахунок того, що вони одночасно виконують декілька функцій. В запропонованому технічному рішенні етилендіаміди жирних кислот виконують функцію поверхнево-активної речовини, що дозволяє забезпечити високі інгібуючі властивості завдяки гідрофобізації поверхні часток, що спричиняє їх відторгнення від водної фази, і функцію змащувальної і протиприхватної домішки завдяки великій здатності адсорбції на металеві поверхні і утворення щільного, міцного мономолекулярного шару, що дозволяє ефективно використовувати його при низьких концентраціях. Дослідами також визначено, що етилендіаміди на основі природних, нерозгалужених, парних жирних кислот, крім вище наведених властивостей, виконують антиферментну функцію, є біорозкладними, нетоксичними і не шкідливими для навколишнього середовища, і таким чином запобігають ферментативній деструкції полімерних (полісахаридних) реагентів. Для підвищення інгібуючих властивостей та надання можливості застосування під час буріння у складних гірничо-геологічних умовах (у тому числі в хемогенних відкладах і при підвищених температурах) до біополімерного бурового розчину додають солі лужних та/або лужноземельних металів (КСІ, NaCl, СаСl2, MgCl2, бішофіт тощо). Біополімерну основу бурового розчину складають біополімери ксантанового типу марки Duovis, Flovis, Radopol, Zibosan та інші. Вони являють собою водорозчинні порошкоподібні полісахариди, отримані обробкою бактеріями типу "ксантамонас". Як полімерний понижувач фільтрації використовують крохмаль їстівний за ТУ-2483-002-41668452-97 або інші модифікації крохмалю, або поліаніонну целюлозу (Polypac L або R), або карбоксиметилцелюлозу (Камцел, Tylose, Finnfix тощо), або карбоксиметилоксіетилцелюлозу (CHR-1, CHR-6 тощо), або оксіетилцелюлозу, або гідролізований поліакрилонітрил (гіпан за ТУ У 31062554.02-2001) і їх різні модифікації і торгові марки. Етилендіаміди жирних кислот виготовляють за ТУ У 24.6-32028975-005-2004. Як гумати лужних металів використовують вуглелужний реагент за ТУ У 36-01-247-76 або гуматно-калієвий реагент за ТУ У 26.8-23690792-002-2001. Солі лужних та/або лужноземельних металів (КСІ, NaCl, СаСl2, MgCl2, бішофіт) отримують за: КСІ за ДОСТ 4568-95, NaCl за ДОСТ 13830-68, СаСl2 за ДОСТ 450-77, MgCl2 або бішофіт за ДОСТ 7759-73. Приклад приготування біополімерного бурового розчину в лабораторних умовах. У 900мл води при перемішуванні проводять гідратацію 5г біополімеру ксантанового типу протягом 15 хвилин, далі додають 50г ВЛР або ГКР і 2г крохмалю або ПАЦ, або КМЦ, або КМОЕЦ, або ОЕЦ, або гідролізований поліакрилонітрил, етилендіаміди жирних кислот (ЕДЖК) - 30г і перемішують протягом 15-30 хвилин, потім додають 70г КСІ або NaCl, або СаСl2, або MgCl2, або бішофіту. Після розчинення солей біополімерний буровий розчин готовий для використання. У таблиці 1 наведено приклади приготування біополімерного бурового розчину при різних концентраціях компонентів. У таблиці 2 наведено дані про змащувальні, інгібуючі, протиприхватні властивості біополімерного бурового розчину при різних концентраціях компонентів. Зниження концентрації біополімеру до 0,2% і ВЛР/або ГКР до 3,0% негативно впливає на структурнореологічні властивості (див. позиції №№2,3 таблиці 1), при цьому зменшується стійкість розчину до солей лужних та лужноземельних металів та високих температур. Збільшення концентрації біополімеру ви ще 0,5%, а ВЛР або ГКР вище 6,0% недоцільно тому, що збільшуються витрати хімреагентів, а структурно-реологічні та фільтраційні властивості значно не поліпшуються (див. поз. №№7-10 таблиці 1). Використання полімерних понижувачів фільтрації у наданих концентраціях забезпечує низький показник фільтрації біополімерного бурового розчину навіть в умовах агресії солей полівалентних металів. Перевищення концентрації понад 1,0% економічно і технологічно недоцільним (див. поз. №10 таблиці 1). Додавання етилендіамів жирних кислот менше 0,05% є неефективним, тому що отримуємо зниження змащувальних, інгібуючи х, протиприхватних і анти ферментних властивостей, а збільшення концентрації етилендіамів жирних кислот більше 3,0% недоцільно в зв'язку з тим, що поліпшення цих властивостей практично не відбувається (див. таблицю 2). Дослідженнями визначено, що етилендіаміди жирних кислот є нетоксичними і відносяться до реагентів четвертого класу небезпеки. Інгібуюча дія солей, як відомо, помітно проявляється починаючи з концентрації 3,0%, чим і обумовлений нижній поріг концентрації. Завдяки високій солестійкості рецептури бурового розчину верхній поріг концентрації солей обмежений тільки межею їх розчинності у воді, що дає можливість використовувати такий розчин при бурінні у хемогенних відкладах. Статична фільтрація визначалась на приладі фільтр-прес Фанн за стандартом Американського Нафтового інституту (АНІ). Показник фільтрації при температурі 140°С при перепаді тиску 7МПа визначався на приладі ВТВТ - висока температура / високий тиск (за стандартом АНІ), що відтворює умови на вибої свердловини глибиною близько 5000м. У межах заявлених співвідношень концентрацій компонентів усі склади біополімерного бурового розчину достатньо термостійкі, що слідує з незначного збільшення показнику фільтрації, який визначали після прогріву при температурі 150°С протягом 4 годин (див. поз. №1-10 таблиці 1). Змащувальні і протиприхватні властивості вимірювали за допомогою приладу "Lubricity Tester" американської фірми "Farm Instrument Co" і за допомогою приладу КТК. Інгібуючі властивості були перевірені методом обкатки кернового матеріалу в роликовій печі при температурі 100°С протягом чотирьох годин. В якості зразків використовували аргіліт. Після обкатки зразка в дистильованій воді залишилося 80,8% кернового матеріалу, а після обкатки в біополімерному буровому розчині 95,7-97,5% (див. поз. №№1-10 табл. 2), що свідчить про значне покращення інгібуючих властивостей запропонованого розчину. Анти ферментну дію етилендіамідів жирних кислот визначали за кількістю аеробних бактерій у 0,5% розчині біополімерного реагенту за допомогою індикаторів Sanivcheck AB фірми "Biosan Laboratories. INC". Проби, відібрані у пластикові пакети, залишали для інкубації на 36 годин при температурі 36°С, кількість бактерій у розчині 100 на 1мл, при концентрації 0,5-1%. Технічним результатом використання запропонованого біополімерного бурового розчину є отримання високих структурно-реологічних властивостей, підвищення інгібуючих, змащувальних, фільтраційних і протиприхватних властивостей бурових розчинів при зменшенні кількості та концентрації компонентів, підвищення їх стійкості до дії високих температур і концентрацій солей лужних та лужноземельних металів, поліпшення антиферментативних властивостей. Впровадження запропонованого біополімерного бурового розчину дозволить зменшити витрати хімреагентів під час буріння у складних гірничо-геологічних умовах (у тому числі в хемогенних відкладах і при підвищених температурах), а також похило-спрямованих та горизонтальних ділянок свердловин, зменшити шкідливий вплив на навколишнє середовище, покращити техніко-економічні показники буріння. Таблиця 1 Приклади приготув ання біополімерного буров ого розчину при різних концентраціях компонентів Параметри біополімерного буров ого розчину Після прогріву 4ч t=150°C При t=20°C Склад біополімерного буров ого розчину, мас. % Гіпан кр ВЛ СаСl2/ КМ Na (на ох Р ПА КМ ОЕ MgCl2, ЕД БП ОЕ Сl/ сух. м ЖК Ц Ц Ц або бішоф Ц KCl речо ал ГКР іт в ину) ь 1 0,1 3 0,1 0,05 2 0,2 3 0,1 0,1 3 0,2 3 0,4 1 4 0,3 5 0,2 7 1,5 5 0,3 5 0,2 3 1,5 6 0,4 5 0,2 26 2 7 0,5 6 0,3 40 2 8 0,5 6 0,3 20 2,5 9 0,5 6 0,2 26 3 10 0,5 6 26 1 1,5 11* № п/п Ф, СНЗ h, см3 / 10/10 мП 30 , дПа а *с хв 4,8 4,8 5,8 4,5 4,77,0 6,7 6,5 6,2 4 5 12/17 16/17 17/21 29/37 31/49 57/63 72/82 75/85 71/80 55/73 14/18 t, дП а Т, с Ф, СН3 h, Т, см3 10/10 мП с /30 , дПа а *c хв 18 25 30 28 6,8 22 27 35 33 6,5 20 22 37 34 7,5 27 39 42 39 5,0 25 34 45 42 5,6 69 95 60 55 6,5 120 167 85 72 8 25 158 82 73 7,8 21 149 71 68 5 23 78 45 40 4,2 12 18 65 30 15 t,д Па 8/10 13 15 12/14 18 21 13/15 13 17 45/62 35 48 35/52 29 37 51/58 60 87 70/85 110 140 67/81 20 154 62/77 18 140 49/71 20 71 0/5 5 8 * прототип: крохмаль - 1 %, біополімер - 0,3 %, полігліколь ПЕГ-400 - 3 %, ДСБ-515 - 0,5 %, ПКД-515 - 1,5 %, крейда - 5 %, СаСl2 - 3 %, NaCl - 20 %. Таблиця 2 Дані про змащувальні, інгібуючі, протиприхватні властивості біополімерного бурового розчину при різних концентраціях компонентів № розчину із таблиці 1 • Вимірювані властивості Змащувальні, (КТК) Протиприхватні, Ампер Інгібуючі, % •1 •2 •3 •4 •5 •6 •7 •8 •9 • 10 • 0,17 • 0,15 • 0,15 • 0,13 • 0,13 • 0,12 • 0,12 • 0,11 • 0,10 • 0,13 • 4,5 • 4,0 • 3,7 • 3,6 • 3,3 • 3,2 • 3,2 • 2,6 • 2,2 • 3,3 • 95,7 • 95,9 • 96,2 • 96,8 • 96,3 • 96,5 • 96,9 • 97,3 • 97,5 • 97,0