Научно-практические основы получения буровых растворов и регулирования их технологических свойств механо - химическим воздействием (стр. 1 )

На правах рукописи

Гайдаров Миталим Магомед-Расулович

НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ И РЕГУЛИРОВАНИЯ ИХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕХАНО - ХИМИЧЕСКИМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ

Специальность 25.00.15 - Технология бурения и освоения скважин

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2009

Работа выполнена в -исследовательском институте природных газов и газовых технологий - ВНИИГАЗ» и в Актюбинском отделении Казахского научно-исследовательского геологоразведочного нефтяного института (АО КазНИГРИ)

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор ,

доктор технических наук ,

доктор технических наук

Ведущее предприятие - научно-исследовательский институт нефтяной промышленности» ()

Защита состоится 10 июня 2009 г. в 15 ч на заседании диссертационного совета Д 212.224.02 при Санкт-Петербургском государственном горном институте имени (техническом университете) по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д. 2, ауд. 1160.

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

Автореферат разослан 8 мая 2009 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета

д. т.н., профессор Н. И.НИКОЛАЕВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие нефтегазовой промышленности, увеличение объемов геологоразведочных работ в Прикаспийской впадине, в Западной Сибири и на севере европейской части России, необходимость ускорения работ по освоению нефтяных и газовых месторождений на континентальном шельфе требуют совершенствования технологии буровых работ, повышения их научно-технического уровня.

Успешное выполнение этих требований возможно при повышении качества строительства глубоких скважин, главным образом, за счет использования эффективных составов буровых растворов и технологий управления их свойствами с целью предотвращения технологических осложнений в процессе бурения.

Строительство глубоких скважин в сложных горно-геологических условиях, обусловленных литологией, чередованием терригенных, хемогенных и карбонатных пород, наличием зон аномально-высоких пластовых давлений (АВПД) и температур, значительных толщ глинистых отложений, большими глубинами залегания углеводородного сырья, сопряжено с возникновением технологических осложнений, значительным расходом материалов и времени при получения буровых растворов и регулирования их технологических свойств.

Качество буровых растворов в этих условиях определяется технологией получения и эффективностью управления их свойствами. Существующие технологии получения и управления свойствами утяжеленных, особенно минерализованных и углеводородных буровых растворов в условиях высоких температур не всегда эффективны и требуют значительного расхода материалов и времени и не всегда приводят к положительным результатам.

Бурение в гидратационноактивных глинистых отложениях сопровождается осложнениями в виде осыпей, обвалов, кавернообразований и т. д. Известно, что причиной потери устойчивости глин является их увлажнение дисперсионной средой бурового раствора. Применением существующих высокоингибированных и традиционно используемых растворов не всегда удается сохранить устойчивость гидратационноактивных глинистых пород.

Для предупреждения пластического течения солей и текучих глин, нефтегазопроявлений необходимым инженерно-техническим решением является увеличение плотности бурового раствора. В процессе бурения интервалов с коэффициентом аномальности более 2,3 требуется применение утяжеленных растворов. Однако на практике получать утяжеленные растворы плотностью более 2300 кг/м3 с требуемыми технологическими показателями технически трудно и иногда невозможно.

Поэтому актуальной и технически необходимой для решения задачей, имеющей большое практическое значение для строительства глубоких скважин в сложных горно-геологических условиях, является разработка буровых растворов и технологий их получения, обеспечивающих:

- минимальные затраты материалов и времени на получение и регулирование их свойств с различной дисперсионной средой;

- устойчивость гидратационноактивных глинистых отложений;

- получение утяжеленных растворов плотностью 2500 кг/м3 и более.

Работа выполнена в соответствии с программой «Перечень приоритетных научно-технических проблем на гг.».

Цель работы. Разработка буровых растворов и методов регулирования их технологических свойств для повышения эффективности бурения глубоких скважин в сложных горно-геологических условиях.

Идея работы – предупреждение осложнений в процессе бурения глубоких скважин за счет дезинтеграторной обработки буровых растворов, управления формированием клатратов в гидратационноактивных глинистых отложениях и обменных химических реакций для получения утяжеленных буровых растворов применительно к солевым отложениям и зонам АВПД.

Основные задачи исследований

1.  Анализ технологических осложнений в процессе бурения глубоких скважин, обусловленных несоответствием свойств буровых растворов условиям бурения, с целью регулирования этих свойств и управление ими при строительстве скважин

2. Исследование влияния дезинтеграторной обработки на свойства буровых растворов с различной дисперсионной средой, разработка составов и технологии их получения.

3. Исследование процессов взаимодействия глин с углеводородными соединениями из состава бурового раствора, разработка рецептур и технологии их получения.

4. Исследование процессов конденсирования твердой фазы в растворах электролитов при получении утяжеленных растворов, разработка составов и технологии их получения.

5. Апробация и промышленное внедрение разработанных буровых растворов и технологий управления их свойствами при проводке глубоких скважин в сложных горно-геологических условиях.

Научная новизна заключается в установлении зависимости изменения структурно-реологических параметров буровых растворов от скорости разрушения структуры дисперсной системы с различными дисперсионными средами, конденсации утяжелителей при обменных реакциях электролитов, а также влияния соединений включений на устойчивость гидратационноактивных глинистых пород.

Основные защищаемые положения

1. Обработка буровых растворов с различной дисперсионной средой по дезинтеграторной технологии при скоростях об/мин позволяет улучшить их основные технологические показатели, при одновременном сокращении расхода материалов (в 1,5-2,0 раза) и времени их приготовления.

2. Устойчивость ствола скважины в интервалах бурения глинистых отложений обеспечивается их гидрофобной кольматацией путем механического заполнения микротрещин и пустот дисперсной фазой бурового раствора, а также физико-химическим взаимодействием с активными составляющими раствора с формированием соединений включений в структуре воды на поверхности гидратационноактивных пород.

3. Увеличение плотности дисперсной системы путем поэтапного ввода высокорастворимых солей (калиевых и бромнатриевых) и баритового утяжелителя, а также конденсацией сульфата бария при обменных реакциях электролитов позволяет получать утяжеленные буровые растворы с плотностью кг/м3 с удовлетворительными технологическими параметрами.

Практическая ценность состоит разработке и внедрении в практику строительства скважин в сложных горно-геологических условиях:

- технологии дезинтеграторной активации буровых растворов, в результате применения которой при приготовлении, регенерации и управлении свойствами буровых растворов более чем на 80-ти скважинах в Прикаспийской впадине (ПГО «Актюбнефтегазгеология») удалось сократить расход материалов (в 1,5-2 раза) и времени на приготовление и обработку (в 2 раза);

- составов разработаных гидрофобных кольматантов для обработки буровых растворов в неустойчивых глинистых породах при использовании которых при бурении более чем в 50-ти глубоких скважинах (ПГО «Актюбнефтегазгеология») удалось предотвратить осыпания глинистых пород;

- углеводородные растворы и технологии их получения (ПГО «Актюбнефтегазгеология», ПГО «Уралькснефтегазгеология», ПГО «ЮжКазгеология»). Обеспечено снижение расхода материалов и времени на приготовление и регулирование свойств и повышение технико-экономических показателей бурения;

- рецептур утяжеленных растворов с плотностью 2500 кг/м3 и более для бурения глубоких геологоразведочных скважин в сложных горно-геологических условиях с АВПД.

Внедрение дезинтеграторной технологии на скважинах ПГО «Актюбнефтегазгеология» позволило сэкономить более 1500 т глинопорошка, 4500 т барита, 75 т КМЦ и крахмала, 800 т технической соли, сократить время на 2200 ч, что в денежном выражении по ценам мая 2007г. составило более 40,7 млн руб.

Исходный материал и личный вклад. В основу диссертационной работы положены результаты теоретических, экспериментальных и производственных исследований, начатых в 1985 г. и выполненных при непосредственном участии автора в лаборатории специальных буровых растворов Актюбинского отделения Казахского научно-исследовательского геолого-разведочного нефтяного института, Уральской партии №6 Атырауской опытно-методической экспедиции, ООО “ХимПАНГА”, ООО “ВНИИГАЗ”. Личное участие автора состоит в постановке и выполнении теоретических и экспериментальных исследований по разработке и управлению свойствами буровых растворов с различной дисперсионной средой, получению составов гидрофобных кольматантов, утяжеленных растворов плотностью более 2500 кг/м3, защищенных авторскими свидетельствами и патентами, а также внедрения результатов работы в промышленных условиях.

Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались на: Всесоюзной конференции молодых ученых и специалистов ( Шевченко, 1987); Всесоюзной школе-семинаре “Эффективность применения полимерных растворов при бурении и закачивании глубоких разведочных скважин на нефть и газ” ( Тюмень, 1989 ); Всесоюзной научно-практической конференции “Аномально высокие пластовые давления и нефтегазоносность недр” ( Ленинград, 1990 ); Казахстанско-американской конференции по развитию нефтяной и газовой промышленности ( Алматы, 1992 ); Международной конференции: ПХГ “Надежность и эффективность” (ВНИИГАЗ, Москва, 2006 ); “ХI Международная конференция по водорастворимым эфирам целлюлозы (Владимир, 2007); отраслевой конференции “Современное состояние и пути совершенствования технологии эксплуатации и ремонта скважин на месторождениях ОАО “ГАЗПРОМ” ( Астрахань, 2007). Работа в полном объеме докладывалась на заседании кафедры бурение нефтяных и газовых скважин Уфимского государственного нефтяного технического университета ( Уфа, 2008 ), на заседании секции «Строительство, эксплуатация скважин и промысловая подготовка углеводородов» Ученого совета (п. Развилка, 2008 ) и на заседании кафедры технологии и техники бурения скважин Санкт-Петербургского государственного горного института им. ( Санкт-Петербург, 2008 ).

Публикации. Основные положения работы опубликованы в 46 научных работах, в том числе в 7 авторских свидетельствах и патентах, 12 работ опубликованы в журналах, входящих в «Перечень...», утвержденный ВАК Минобрнауки РФ.

Структура и объем. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, выводов и рекомендаций, списка использованных источников ( 144 наименования ), приложения и содержит 315 стр., 52 рис., 58 табл. В приложении приведен акт, подтверждающий объем и эффективность промышленного использования разработок.

Автор выражает глубокую признательность своим первым учителям: горному инженеру и канд. техн. наук ; д-ру техн. наук, проф. , д-ру техн. наук , а также всем коллегам из , Актюбинского отделения КазНИГРИ, КазНИГРИ, ПГО «Актюбнефтегазгеология», «Уральскнефтегазгеология», ПО «Актюбнефть» за оказанную помощь при выполнении работы и проведении промысловых испытаний.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, ее цель, задачи исследований, представлена научная новизна и основные защищаемые положения, показана практическая ценность результатов диссертации и ее реализация в промышленности.

В первой главе приведены сведения о сложных горно-геологических условиях, обусловленных литологией, чередованием надсолевых, солевых и подсолевых отложений, наличием зон АВПД, большими глубинами залегания углеводородного сырья, высокими температурами и т. д.

Строительство глубоких скважин в этих условиях с использованием существующих буровых растворов и технологий управления их свойствами сопряжено со следующими трудностями:

- перерасходом материалов и времени, особенно при использовании минерализованных, высокоминерализованных и углеводородных растворов;

- потерей устойчивости ствола скважины;

- проблемой получения утяжеленных растворов с плотностью 2300 кг/м3 и более и управления их технологическими свойствами.

Совершенствованию технологий получения и создания буровых растворов с различными дисперсионными средами посвящены исследования , , , , ЛапердинаА. Н., , , , и многих других.

В свое время предлагались для приготовления буровых растворов различные конструкции гидравлических и механических диспергаторов (активаторов), что, однако не позволило достичь требуемых результатов по снижению расхода материалов и временных затрат.

Особенностью бурения в мощных солевых отложениях является то, что в процессе углубления увеличения структурно-реологических показателей раствора не наблюдается и для пополнения объема раствора не требуется периодических разбавлений (разжижений). Поэтому пополнение объема раствора в этих условиях производится добавкой свежеприготовленного раствора с аналогичным составом и свойствами. Приготовление свежего высокоминерализованного раствора требует больших затрат времени и материалов. Аналогичная ситуация складывается и при использовании углеводородных растворов. Зачастую буровики в этих условиях допускают ошибку и пополнение объема раствора производят периодическими разбавлениями. Если при этом используемый буровой раствор является утяжеленным, то через определенное число разбавлений наблюдается не только выпадение барита, но и могут иметь место серьезные осложнения из-за отрицательного изменения структурно-реологических показателей и плотности.

Практический опыт показывает, что повышение структурно-реологических показателей раствора в этих условиях - задача не простая, требующая высокой квалификации персонала, больших затрат времени и материалов.

Одним из перспективных направлений управления свойствами буровых растворов является механохимическая активация в дезинтеграторе. Ее преимущества показаны в работах и его школы, где в основном рассмотрены процессы измельчения сухих материалов и смесей. Анализ работ по механохимической активации в дезинтеграторе предполагает улучшение показателей составов раствора при одновременном снижении расхода компонентов и времени на приготовление.

Осыпание глинисто-аргиллитовых пород при бурении глубоких скважин в сложных горно-геологических условиях распространено повсеместно. Анализ осыпей терригенных пород показывает, что осложнения данного типа с ростом глубин проявляются часто и наиболее тяжелы в управлении. Решением проблемы сохранения устойчивости глинистых пород занимались , , , , , , , , Сеид-, , и другие.

Практика глубокого бурения в гидратационноактивных глинистых породах Прикаспийской впадины показала, что для устранения осыпей недостаточно только соответствующего регулирования плотности, показателя фильтрации и солевого состава раствора.

При строительстве скважин на площади Шубаркудук в Прикаспийской впадине для ликвидации осыпаний гидратационноактивных глин впервые было предложено использовать гидрофобный кольматант по рекомендации . Значительный вклад в решение проблемы сохранения устойчивости глинистых пород путем использования различных составов гидрофобных кольматантов внесли , ,

Несмотря на достигнутые успехи в этом направлении, для широкого практического использования гидрофобных кольматантов необходимо повысить их эффективность. Сдерживающим фактором в разработке эффективных составов гидрофобных кольматантов является то, что механизм реализации гидрофобной кольматации не достаточно изучен. Изучение механизма гидрофобной кольматации позволит разработать эффективные составы кольматантов для сохранения устойчивости глин.

Для предупреждения пластического течения солей и сильно увлажненных глин, нефтегазоводопроявлений в зонах АВПД с коэффициентом аномальности более 2,3 превалирующее значение имеет повышение плотности бурового раствора. На основе известных реагентов и утяжелителей можно получить утяжеленные растворы плотностью кг/м3 с удовлетворительными технологическими показателями. Дальнейшее повышение плотности приводит, в частности, к неуправляемому изменению реологических показателей из-за чрезмерно высокого содержания в них твердой фазы. Опыт глубокого бурения показывает, что в практической деятельности возникает необходимость в утяжелении буровых растворов до плотности 2500 кг/м3 и более.

Получением утяжеленных растворов высокой плотности занимались в разное время , , , , , Челомбиев А. А. и другие.

Анализ состава и свойств утяжеленных растворов показывает, что наиболее перспективно управление их свойствами на основе поэтапного комплексного утяжеления дисперсионной среды электролитами (или продуктами конденсации) и утяжелителем.

Для повышения работоспособности буровых растворов, предотвращения технологических осложнений в процессе бурения с целью повышения эффективности строительства глубоких скважин необходимо разработать новые эффективные составы промывочных агентов, технологий их получения и методы управления их свойствами.

Во второй главе рассмотрены вопросы механохимической активации в высокоскоростных дезинтеграторных аппаратах. Исследования влияния эффектов механохимической активации на буровые растворы проводились на дезинтеграторной установке с максимальным числом оборотов роторов до 18000 об/мин с шестирядными «пальцами-билами».

Буровые растворы на водной основе. В дезинтеграторе буровой раствор подвергается мощным ударам, причем каждый удар меняет направление движения на 180о, в связи, с чем частицы раствора двигающиеся со скоростью до 240 м/с также меняют направление вектора скорости, что приводит к кавитационным явлениям, разогреву суспензии, интенсификации процессов активирования.

Механохимическая активация воды в дезинтеграторной установке измененяет в водной среде между мономерной и полимерной составляющими воды, уменьшая долю последней и увеличивая долю первой.

Так как энергия мономерной воды всегда больше энергии полимерной, то увеличение мономерной воды повышает энергетическую активность системы. Содержание в воде других компонентов приводит к более эффективным взаимодействиям воды с компонентами раствора.

Структурно-механические и фильтрационные показатели бурового раствора зависят от дисперсности и количества глинистых частиц и соотношения между гидратной, гелевой и мономерной воды. С увеличением доли мономерной воды раствор разжижается и наоборот. Как показывают исследования дезинтеграторная активация имеет место при интенсивности воздействия 9000 об/мин и выше, т. к. при этом наблюдается существенное улучшение структурно-механических показателей раствора (табл.1), что свидетельствует об изменении дисперсности, количества глинистых частиц и доли мономерной воды.

Дезинтеграторная активация свежеприготовленной глинистой суспензии приводит к увеличению количества глинистых частиц, дисперсности и доли мономерной воды, кинетически и химически более активной и обеспечивающей ускорение процессов заполнение гидросиликатной структуры глины, набухание, восстановления донорно-акцепторного взаимодействия воды с гидросиликатной оболочкой, формирование гидратного и гелевого слоев воды.

Таблица 1

Изменение показателей свойств 15 %-ной глинистой суспензии при различных режимах дезинтеграторной обработки

Режим обработки, об/мин	Показатели глинистой суспензии
Т, с	ηпл, , мПа·с	t0, Па	СНС, Па
Исходный	16,8	6,0	1,8	0,4
3000	17,2	6,5	2,1	0,4
6000	17,5	7,0	2,4	0,6
9000	20,5	8,5	3,4	1,6
12000	23,0	9,5	4,3	2,9
15000	25,7	10,0	5,4	3,7
18000	29,2	10,5	7,6	6,2

Совокупность всех механических и физико – химических факторов высокоинтенсивного воздействия на глинистые растворы в дезинтеграторе приводит как к количественным, так и к качественным изменениям дисперсной фазы, дисперсионной среды и введенных компонентов. Количество частиц со средним размером 5 мкм резко возрастает с увеличением интенсивности воздействия (рис.1). Наибольший эффект улучшения реологических показателей исходной глинистой суспензии приготовленной (и выдержанной для полного распускания 3 сут) в лопастной мешалке из глинопорошка с коэффициентом коллоидальности к = 0,18 при дезинтеграторной обработке наблюдается в режиме 9000 об/мин и выше ( табл.1).

Рис.1. График зависимости фракционного состава твердой фазы (F%) 20 %- ной глинистой суспензии:

1 – фракционный состав твердой фазы исходного раствора; 2, 3 – фракционный состав после дезинтеграторной активации при 12000 и 18000 об/мин соответственно.

Экспериментально установлено, что во время активации доля мономерной воды резко увеличивается, а после активации и восстановления структуры раствора уменьшается по сравнению с первоначальной. Дезинтеграторная активация позволяет путем изменения количества глинистых частиц, дисперсности и доли мономерной воды улучшить структурно-механические и фильтрационные показатели бурового раствора.

Для оценки степени влияния дезинтеграторной обработки на стабилизирующие свойства понизителей фильтрации использовали следующую методику: готовую исходную глинистую суспензию подвергали дезинтеграторной обработке в режиме 18000 об/мин с целью снятия эффекта снижения показателя фильтрации, за счет активации глинистой фазы. После этого в глинистую суспензию вводили понизитель фильтрации и перемешивали на лабораторной мешалке в течение 2 ч, затем через сутки замерялся показатель фильтрации, который принимался за исходный. Подготовленную таким образом химически обработанную глинистую суспензию подвергали обработке в дезинтеграторной установке при различной интенсивности воздействия (рис.2).

Рис.2. Влияние интенсивности воздействия в дезинтеграторе на фильтрацию 15%-ной глинистой суспензии, обработанной полимерами: 1 – 2% крахмальный реагент; 2 – 0,4% КМЦ.

Экспериментальным путем установлено, что максимальное снижение показателя фильтрации раствора достигается при режимах обработки: - 10000 – 12000 об/мин для растворов содержащих КМЦ и крахмал; - 14000 – 15000 об/мин для растворов содержащих КССБ и УЩР.

Увеличение высокоинтенсивного воздействия свыше 12000 об/мин в растворах содержащих КМЦ и крахмал, приводит к росту показателя фильтрации за счет деструкции макромолекул полимеров. Наибольший эффект повышения стабилизирующих свойств понизителей фильтрации от высокоинтенсивного механохимического воздействия в дезинтеграторе проявляется, когда обработке подвергается буровой раствор с ранее введенными химическими реагентами. В этом случае получается наибольший прирост снижения показателя фильтрации раствора, чем при раздельном активировании составляющих компонентов системы (рис.3).

Рис.3. Влияние способа активации КМЦ-600 на фильтрацию 15%-ной глинистой суспензии:

1 – без активации; 2 – активация до ввода в глинистую суспензию при режиме 12000 об/мин; 3 – активация в составе раствора при режиме 12000 об/мин.

Аналогичные результаты получены при испытании крахмальных реагентов, УЩР и КССБ. Исследования, проводимые на установке DESI-12, показали, что дезинтеграторная технология приготовления буровых растворов на водной основе путем механохимической активации приводит к появлению новых структурно-механических и фильтрационных свойств и сокращению расхода глиноматериалов в 2 раза и понизителей фильтрации в 1,5 раза.

На основании результатов изучения влияния механо-химической активации в дезинтеграторе на глинистые суспензии было принято решение об использовании дезинтеграторной технологии для управления свойствами буровых растворов на водной основе в промысловых условиях при выполнении операций приготовления:

- свежего раствора (первичное приготовление раствора);

- малоглинистых и эмульсионных растворов;

- раствора на базе циркулирующего в скважине, а также регенерация и утяжеление раствора из бросовых материалов.

Буровые растворы на углеводородной основе. Для управления структурно-механическими и фильтрационными показателями углеводородных растворов, также, исследовано влияние дезинтеграторной активации. На примере изучения структурно-механических показателей известково-битумных растворов (ИБР): так для получения раствора по дезинтеграторной технологии с СНС1=0,5-0,6 Па достаточно 15% извести, против 30% при традиционном способе приготовления. Разработанная технология приготовления позволяет упростить состав ИБР и улучшить параметры раствора (табл.2). Кроме того, механохимическая активация позволяет избавиться от содержания свободной воды, тогда как при обычном способе приготовления этот показатель составляет до 3%. В приведенных составах в 1 м3 содержание ДТ составляет 0,66 м3, а битума 0,2 т, а растворы №3 и№4 утяжелены баритом.