Патент на изобретение №2289603

(54) БИОПОЛИМЕРНЫЙ БУРОВОЙ РАСТВОР

(57) Реферат:

Изобретение относится к полимерным буровым растворам для бурения газовых и нефтяных скважин, в частности к безглинистым биополимерным буровым растворам, которые используются для бурения в сложных горно-геологических условиях, в том числе в хемогенных отложениях и при высоких забойных температурах, а также наклонно-направленных и горизонтальных участков скважин. Технический результат изобретения – уменьшение количества и концентрации компонентов для приготовления бурового раствора при сохранении ингибирующих, смазочных, фильтрационных и противоприхватных свойств, а также повышение структурно-реологических свойств и термостойкости, обеспечение солестойкости, снижение вредного влияния на окружающую среду. Биополимерный буровой раствор содержит, мас.%: полимерный понизитель фильтрации – полианионную целлюлозу или карбоксиметилцеллюлозу, или карбоксиметилоксиэтилцеллюлозу, или оксиэтилцеллюлозу, или гидролизованный полиакрилонитрил 0,1-1,0, биополимер ксантанового типа 0,2-0,5, этилендиамиды жирных кислот – продукт конденсации этилендиамина и фосфатидного концентрата 0,05-3,0, гуматы щелочных металлов – углещелочной реагент УЩР или гуматно-калиевый реагент ГКР 3,0-6,0, соли щелочных и/или щелочноземельных металлов – KCl, NaCl, CaCl₂, MgCl₂, бишофит 3,0-40,0, вода остальное. 2 табл.

Изобретение относится к полимерным буровым растворам для бурения газовых и нефтяных скважин, в частности к безглинистым биополимерным буровым растворам, которые используются для бурения в сложных горно-геологических условиях, в том числе в хемогенных отложениях и при высоких забойных температурах, а также наклонно-направленных и горизонтальных участков скважин.

Известна промывочная жидкость, которая включает, мас.%: углещелочной реагент (гуматы щелочных металлов), которые выполняют функцию понизителя фильтрации, – 15; биополимер “энпосан” (на сухое вещество) – 0,2-05; вода – остальное (см. пат. Украины №47493, МПК 6 С 09 К 7/00, 7/01, публ. 15.07.2002 г., Бюл. №7). Недостатком промывочной жидкости являются недостаточные структурно-реологические свойства, низкий показатель выносящей способности и отсутствие солестойкости.

Известен биополимерный буровой раствор, предназначенный для бурения наклонно-направленных и горизонтальных стволов скважин (патент России №2236429, МПК 7 С 09 К 7/02, публ 20.09.2004 г., йод №26), который содержит, мас.%: ксантановый биополимер типа Flo-Vis – 0,3-0,5, гуматный реагент (порошковый углещелочной реагент – ПУЩР) – 10,5-15,0, воду – остальное. Недостатком данного раствора является низкая термостойкость (до 80°С) и низкая устойчивость к воздействию ионов поливалентных металлов.

Известен безглинистый буровой раствор для вскрытия продуктивных горизонтов (прототип), который содержит, мас.%: крахмал (полимерный понизитель фильтрации) – 1,0-1,5; биополимер – 0,2-0,3; карбонантный утяжелитель – 5,0-10,0, спирт (полиглиоколь) – 3,0-5,0; гидрофобизирующее поверхностно-активное вещество (ПАВ) ГКД-515 – 1,5-2, смазочную добавку (реагент ДСБ-4ТТ – продукт конденсации моноэтаноламина и сырых таллоных масел в смеси с керосином, моноэтаноламином и флотореагентом – оксалем) – 0,5-1,0 и воду остальное (см. патент России №2179568, МПК 7 С 09 К 7/02, публ 20.01.2002 г., Бюл. №6).

В безглинистом буровом растворе для вскрытия продуктивных горизонтов крахмал и карбонатный утяжелитель выполняют функцию понизителя фильтрации, но наличие в растворе карбонатного утяжелителя усложняет регулирование плотности бурового раствора в сторону уменьшения. Биополимерный реагент выполняет функцию структурообразователя, но его термостабильность ограничивается применением при забойных температурах до 120°С. Для обеспечения ингибирующих, смазывающих, фильтрационных и противоприхватных свойств в предложенном буровом растворе используются несколько различных компонентов при высоких концентрациях, а именно: гидрофобизирующее ПАВ – ПКД-515 обеспечивает увеличение проницаемости коллектора; добавка ДСБ-4ТТ – продукт конденсации моноэтаноламина и сырых талловых масел в смеси с керосином, моноэтаноламином и флотореагентом – оксанам используется для снижения противоприхватных свойств и улучшения смазочных свойств; спирты (полигликоли) используют в качестве ингибитора глин и бактерицида, но при этом они являются высокотоксичными веществами.

Кроме того, недостатком данного раствора являются недостаточные структурно-реологические свойства, а именно предложенное количество биополимера и крахмала не обеспечивают высокие показатели вязкости, динамического напряжения сдвига и пластической вязкости, что ограничивает его применение при бурение горизонтальных скважин, недостаточная термостойкость ограничивает его применение при бурении в сложных горно-геологических условиях (при высоких забойных температурах и хемогенных отложениях).

Техническим результатом изобретения является уменьшение количества и концентрации компонентов для приготовления бурового раствора при сохранении ингибирующих, смазочных, фильтрационных и противоприхватных свойств, а также повышение структурно-реологических свойств и термостойкости, обеспечение солестойкости, снижение вредного влияния на окружающую среду.

Для достижения технического результата используют биополимерный буровой раствор, содержащий полимерный понизитесь фильтрации, биополимер ксантанового типа, поверхностно-активное вещество, смазочную добавку и воду, отличающийся тем, что он содержит в качестве поверхностно-активного вещества и смазочной добавки этилендиамиды жирных кислот – продукт конденсации этилендиамина и фосфатидного концентрата, в качестве полимерного понизителя фильтрации – полианионную целлюлозу или карбоксиметилцеллюлозу, или карбоксиметилоксиэтилцеллюлозу, или оксиэтилцеллюлозу, или гидролизованный полиакрилонитрил и дополнительно – гуматы щелочных металлов – углещелочной реагент УЩР или гуматно-калиевый реагент ГКР и соли щелочных и/или щелочноземельных металлов – KCl, NaCl, CaCl₂, MgCl₂, бишофит при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Исследованиями установлено, что в водном растворе биополимер и гуматы щелочных металлов образуют неразделимые пространственные комплексы, которые обеспечивают активное функционирование каждого компонента в агрессивной среде (высокие концентрации солей, высокие температуры), где ни гуматы, ни биополимер самостоятельно не способны существовать. При совместном растворении происходит взаимодействие разветвленных цепочек молекул биополимера с полианионами гуматов щелочных металлов за счет образования большого количества водородных связей. Такое взаимодействие макромолекул обеспечивает необратимое пространственное трехмерное расположение молекул в водной среде и активное связывание воды даже при агрессивном действии высоких концентраций солей и высоких температур, что и обеспечивает высокие структурно-реологические свойства и снижение показателя фильтрации при низких концентрациях полимеров.

Для снижения показателя фильтрации синергетическая смесь нуждается в дополнительном применении полимерных понизителей фильтрации (крахмал, полианионная целлюлоза (ПДЦ), карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ), карбоксиметилоксиэтилцеллюлоза (КМСОЦ), оксиэтилцеллюлоза (ОЭЦ), гидролизованный полиакрилонитрил (гипан)).

Использование этилендиамидов жирных кислот позволяет уменьшить количество и концентрацию компонентов в составе бурового раствора за счет того, что этилендиамиды одновременно выполняют несколько функций.

В предложенном техническом решении этилендиамиды жирных кислот выполняют функцию ПАВ, что обеспечивает высокие ингибирующие свойства благодаря гидрофобизации поверхности частичек, снижение степени их гидратации и диспергирования, и функцию смазочной и противоприхватной добавки благодаря способности к адсорбции и образованию плотного мономолекулярного слоя, что позволяет эффективно использовать его при низких концентрациях.

Исследованиями установлено, что этилендиамиды на основе природных неразветвленных с четным числом углеродных атомов жирных кислот, кроме вышеприведенных свойств, выполняют антиферментативную функцию, являются биоразлагаемыми, нетоксичными и не вредными для окружающей среды и таким образом предотвращают ферментативную деструкцию полимерных (полисахаридных) реагентов.

Для повышения ингибирующих свойств и обеспечения возможности применения во время бурения в сложных горно-геологических условиях (в том числе в хемогенных отложениях и при высоких температурах) в биополимерный буровой раствор добавляют соли щелочных и/или щелочноземельных металлов (KCl, NaCl, CaCl₂, MgCl₂, бишофит).

Биополимерную основу бурового раствора составляют биополимеры ксантанового типа марки Duovis, Flo-vis, RadopoL, Zibosan и другие. Они представляют собой водорастворимые порошковые полисахариды, полученные обработкой бактериями типа “ксантамонас”.

В качестве полимерного понизителя фильтрации используют крахмал пищевой согласно ТУ-2483-002-41668452-97 или другие модификации крахмала, или полианионную целлюлозу (Polypac L или R), или карбоксиметилцеллюлозу (Камцел, Tylose, Finnfix и др.), или карбоксиметилоксиэтилцеллюлозу (CHR-1, CHR-6 и др.), или оксиетилцеллюлозу, или гидролизованный полиакрилонитрил (гипан согласно ТУ У 31062554.02-2001) и их различные модификации и торговые марки.

Этилендиамиды жирных кислот изготавливают согласно ТУ У 24.6-32028975-005-2004.

В качестве гуматов щелочных металлов используют углещелочной реагент согласно ТУ У 36-01-247-76 или гуматно-калиевый реагент согласно ТУ У 26.8-23690792-002-2001.

Соли щелочных и/или щелочноземельных металлов (KCl, NaCl, CaCl₂, MgCl₂, бишофит) получают: KCl согласно ГОСТ 4568-95, NaCl согласно ГОСТ 13830-68, CaCl₂ согласно ГОСТ 450-77, MgCl₂ или бишофит согласно ГОСТ 7759-73.

Пример приготовления биополимерного бурового раствора в лабораторных условиях.

В 900 мл воды при перемешивании растворяют 5 г биополимера ксантанового типа в течение 15 минут, далее добавляют 50 г УЩР или ГКР и 2 г крахмала или ПДЦ, или КМЦ, или ММОЭЦ, или ОЭЦ или гидролизованый полиакрилонитрил, затем этилендиамиды жирных кислот (ЭДЖК) – 30 г и перемешивают в течение 15-30 минут, затем добавляют 70 г KCl или NaCl, или CaCl₂, или MgCl₂ или бишофита. После растворения солей биополимерный буровой раствор готов для использования.

В таблице 1 приведены примеры приготовления биополимерного бурового раствора при различных концентрациях компонентов.

В таблице 2 приведены данные о смазочных, ингибирующих, противоприхватных свойствах биополимерного бурового раствора при различных концентрациях компонентов.

Снижение концентрации биополимера до 0,2% и УЩР или ГКР до 3,0% отрицательно сказывается на структурно-реологических свойствах (см. позиции 2 и 3 в таблице 1), при этом уменьшается стойкость раствора к солям щелочных и щелочноземельных металлов и действию высоких температур. Увеличение концентрации биополимера свыше 0,5%, а УЩР или ГКР свыше 6,0% нецелесообразно, так как увеличивается расход химреагентов, а структурно-реологические и фильтрационные свойства существенно не улучшаются (см. поз.7-10 в таблице 1).

Использование полимерных понизителей фильтрации в приведенных концентрациях обеспечивает низкий показатель фильтрации биополимерного бурового раствора даже при агрессии солей поливалентных металлов. Повышение их концентрации свыше 1,0% является экономически и технологически нецелесообразным (см. поз. 10 в таблице 1).

Добавление этилендиамидов жирных кислот меньше 0,05% является неэффективным, так как получаем снижение смазочных, ингибирующих, противоприхватных и антиферментных свойств, а увеличение концентрации этилендиамидов жирных кислот более 3,0% нецелесообразно в связи с тем, что дальнейшего улучшения этих свойств практически не происходит (см. таблицу 2).

Исследованиями установлено, что этилендиамиды жирных кислот являются нетоксичными и относятся к реагентам четвертого класса опасности.

Ингибирующие свойства солей, как известно, заметно проявляются, начиная с концентрации 3,0%, чем обусловлен нижний порог концентрации солей. Благодаря высокой солестойкости предлагаемой рецептуры бурового раствора верхний порог концентрации солей ограничен только пределом их растворимости в воде, что дает возможность использовать такой раствор при бурении в хемогенных отложениях.

Статическая фильтрация определялась на приборе фильтр-пресс Фанн по стандарту Американского нефтяного института (АНИ).

Показатель фильтрации при температуре 140°С и перепаде давления 7 МПа определялся на приборе ВГВД (фирмы ОПТЕ) – высокая температура, высокое давление (по стандарту АНИ), что отражает условия на забое скважины глубиной около 5000 м.

В рамках заявленных соотношений концентраций компонентов все составы биополимерного бурового раствора достаточно термостойки, что видно по незначительному увеличению показателя фильтрации, который определяли после прогрева при температуре 150°С на протяжении 4 часов (см. поз.1-10 в таблице 1).

Смазочные и противоприхватные свойства определяли на приборе “Lubricity Tester” американской фирмы “Farm Instrument Co” и с помощью прибора КТК.

Ингибирующие свойства были проверены методом обкатки кернового материала в автоклавах в роликовой печи при температуре 100°С в течение четырех часов. В качестве кернового материала использовали аргиллит. После обкатки в дистиллированной воде остаток на сите составил 80,8% кернового материала, а после обкатки в биополимерном буровом растворе 95,7-97,5% (см. поз.1-10 табл.2), что свидетельствует об улучшении ингибирующих свойств предложенного раствора.

Антиферментативное действие этилендиамидов жирных кислот определяли по количеству анаэробных бактерий в 0,5% растворе биополимерного реагента при помощи индикаторов Sanivcheck AB фирмы “Biosan Laboratories. INC”. Пробы, отобранные в пластиковые пакеты, оставляли для инкубации на 36 часов при температуре 36°С, количество бактерий в растворе 100 на 1 мл, при концентрации 0,5-1%.

Результатом использования предложенного биополимерного бурового раствора является получение высоких структурно-реологических свойств, повышение ингибирующих, смазочных, фильтрационных и противоприхватных свойств, уменьшение количества и концентрации компонентов, повышение их стойкости к действию высоких температур и высоких концентрации солей щелочных и щелочноземельных металлов, повышение антиферментативных свойств.

Внедрение предложенного биополимерного бурового раствора позволит уменьшить затраты на химическую обработку буровых растворов в сложных горно-геологических условиях (в том числе в хемогенных отложениях и при повышенных температурах), а также при бурении наклонно-направляющих и горизонтальных участков скважин, уменьшить вредное влияние на окружающую среду, улучшить технико-экономические показатели бурения.

Таблица 1
Примеры приготовления биополимерного бурового раствора при разных концентрациях компонентов
№	Состав биополимерного бурового раствора, мас.%												Параметры биополимерного бурового раствора
													При t=20°C					После прогрева 4 ч t=150°C
	БП	УЩР или ГКР	ПАЦ	КМЦ	КМОЭЦ	ОЭЦ	Вода	NaCl, KCl	CaCl2, MgCl2, бишофит	Гипан (на сух. вещество)	Крахмал	ЭДЖК	Ф, см3/ 30 м	СНС 10/10, дПа	, мПа*с	, ДПа	Т, с	Т, с	Ф, см3/30 м	СНС 10/10, дПа	, мПа*с	, дПа
1	0,1	3	0,1				80,75	7	9			0,05	4,8	12/17	18	25	30	28	6,8	8/10	13	15
2	0,2	3		0,1			74,6	10	12			0,1	4,8	16/17	22	27	35	33	6,5	12/14	18	21
3	0,2	3					80,6		15	0,4		1	5,8	17/21	20	22	37	34	7,5	13/15	13	17
4	0,3	5			0,2		86	7				1,5	4,5	29/37	27	39	42	39	5,0	45/62	35	48
5	0,3	5				0,2	90	3				1,5	4,7	31/49	25	34	45	42	5,6	35/52	29	37
6	0,4	5	0,2				66,4	26				2	7,0	57/63	69	95	60	55	6,5	51/58	60	87
7	0,5	6	0,3				51,2		40			2	6,7	72/82	120	167	85	72	8	70/85	110	140
8	0,5	6				0,3	70,8		20			2,5	6,5	75/85	25	158	82	73	7,8	67/81	20	154
9	0,5	6	0,2				64,3	26				3	6,2	71/80	21	149	71	68	5	62/77	18	140
10	0,5	6					65	26				1,5	4	55/73	23	78	45	40	4,2	49/71	20	71
11													5	14/18	12	18	65	30	15	0/5	5	8
* прототип
Используют гуматы: УЩР – в растворах №1-5, ГКР – в растворах №6-10.
Используют соли: NaCl+CaCl2 – в растворе №1, KCl+MgCl2 – в растворе №2, 3, бишофит – в растворе №3, NaCl – в растворах №4-6, KCl – в растворах №9, 10, CaCl2 – в растворе №7, MgCl2 – в растворе №8.

Формула изобретения

Биополимерный буровой раствор, содержащий полимерный понизитель фильтрации, биополимер ксантанового типа, поверхностно-активное вещество, смазочную добавку и воду, отличающийся тем, что он содержит в качестве поверхностно-активного вещества и смазочной добавки этилендиамиды жирных кислот – продукт конденсации этилендиамина и фосфатидного концентрата, в качестве полимерного понизителя фильтрации – полианионную целлюлозу, или карбоксиметилцеллюлозу, или карбоксиметилокси-этилцеллюлозу, или оксиэтилцеллюлозу, или гидролизованный полиакрилонитрил и дополнительно – гуматы щелочных металлов – углещелочной реагент УЩР или гуматно-калиевый реагент ГКР и соли щелочных и/или щелочноземельных металлов – KCl, NaCl, CaCl₂, MgCl₂, бишофит при следующем соотношении компонентов, мас.%: