CC BY
21БУРЕНИЕ
УдК 622.24.053.6
А.я. соловьев, к.т.н., доцент ГбоУ впо «Уфимский государственный нефтяной технический университет», e-mail: atractor@bk.ru; с.А. Букин, бакалавр техники и технологии, магистрант ГбоУ впо «Уфимский государственный нефтяной технический университет», e-mail: 1sven@mail.ru
борьба с прихватами: smart-гели улучшают результаты
На современном этапе развития бурения наклонных скважин наиболее проблемным и затратным осложнением является прихват труб в открытом стволе, возникающий под действием дифференциального перепада давления и механического прижатия труб при наличии в скважине скоплений глинистого шлама. Несмотря на все усилия по их предотвращению, прихваты продолжают возникать. Попытки освободить инструмент путем расхаживания только усугубляют ситуацию, а стандартные подходы к освобождению прихваченных труб путем установки жидкостных ванн углеводородных противоприхватных жидкостей зачастую не дают результата. Поднять технологию ликвидации прихватов на более высокий уровень позволяют «умные» гели, которые повышают эффективность и успешность соответствующих операций в сложных случаях, когда стандартные подходы оказываются совершенно безуспешными. Эффективность применения «умных» гелей выражается в сокращении времени ликвидации прихвата и более высокой потенциальной способности к снижению сопротивлений движению колонн в скважине. Благодаря технологиям селективной блокировки поро-вого пространства и деструкции сальников эффективность ликвидации прихватов с использованием «умных» гелей возрастает экспоненциально.
Ключевые слова: прихват, лубрикант, сальник, коэффициент трения, фрикционные сопротивления, замки труб, шламовые скопления.
Доминирующую роль в сопротивлении перемещению бурильных и обсадных колонн в скважинах играют «замковые сопротивления», которые значительно возрастают при образовании сальников на инструменте и толстых фильтрационных корок на стенках скважины, инициируя, таким образом, прихваты труб [1]. Применение лубрикантов для снижения замковых сопротивлений неэффективно, в связи с чем основную роль в предупреждении осложнений при бурении скважин на сегодняшний день играют средства раннего обнаружения проблем со стволом, связанных с потерей прочности пород, шламона-коплением и сальникообразованием. Однако меры профилактического характера, принимаемые при обнаружении соответствующих проблем, зачастую не дают желаемого эффекта, и образование сальников в стволе скважины, а также вызванные этим прихваты все-таки происходят. Сложность ликвидации рассматриваемого типа прихватов заключается в невозможности расхаживания труб, так как их движение при-
водит к дополнительной консолидации глинистых отложений и усугублению положения. Установка нефтяной ванны в ряде случаев дает только временный эффект, так как освобождение колонны в одном месте не исключает возможности нового прихвата на другом участке, поскольку его причина - сальники в стволе - установкой ванны не устраняется. В этой связи перспективно применение специальных противоприхватных жидкостей, способных не только ликвидировать прихват, но и за короткое время разрушать сальники, имеющиеся в стволе скважины.
Стандартные методики исследования свойств фильтрационных корок на приборах КТК-2, ФСК и Sticking Tester не позволяют оценить деструкцию сальника под влиянием противоприхватной жидкости. Такую возможность предоставляет только специальная методика определения обобщенного коэффициента фрикционных сопротивлений, учитывающая взаимодействие замков труб с сальником по схеме среза [1]. На базе этой методики нами разработан
новый прибор, представляющий собой гибрид КТК-2 и фильтр-пресса АР1, адаптированный к работе с противо-прихватными жидкостями [2]. Технология работы с прибором предусматривает следующую последовательность:
1) получение фильтрационной корки;
2)моделирование дифференциального прихвата; 3) моделирование освобождения от прихвата; 4) замеры обобщенного коэффициента фрикционных сопротивлений; 5) обработка данных с получением в результате усилия среза, характеризующего степень деструкции сальника противоприхватной жидкостью.
Результаты оценки эффективности углеводородных противоприхватных жидкостей с использованием разработанного прибора приведены на рисунке 1.
В случае базовой глинистой суспензии поверхность сальника в месте отрыва не имеет выраженной текстуры, что говорит о высокой пластичности разрушенного материала. После обработки сырой нефтью прочность корки значительно возрастает, она утрачивает пластич-
Базовая глинистая суспензия Сырая нефть Дизельное топливо PRESANTH.
Рис. 1. Характер разрушения сальника после образования адгезионного контакта с металлом и последующего помещения в среду противоприхватной жидкости
о у,р s ю iS аз 25
Скоккть tgiiin *j|
Рис. 2. Реологические характеристики полиморфных модификаций СуПРАМОЛа-1
ность и разрушается с образованием характерного излома с четко очерченными границами. Таким образом, сырая нефть не обладает способностью к деструкции сальника, однако чрезвычайно эффективна в качестве профилактической добавки, так как стабилизирует глинистый сланец. Принципиально иное действие на сальник оказывает дизельное топливо, которое, усиливая когезию глинистых частиц друг с другом, полностью разрушает их связь с металлом, делая эту углеводородную жидкость наиболее универсальным противоприхватным материалом. Введение добавки PRESANTIL (Lamberti) в дизельное топливо ухудшает его способность разрушать связи «глина - металл», но упрочняет сальник, подобно сырой нефти.
Таким образом, ни одна из исследованных базовых противоприхватных жидкостей не показала способность к деструкции сальника. Наоборот, в условиях наличия дифференциального давления при контакте с углеводородом происходит обезвоживание и упрочнение глинистого материала, обуславливающее нарастание «замковых сопротивлений». Кроме того, освобождение модели замка при использовании наиболее эффективного углеводорода - дизельного топлива произошло по прошествии 2,5 часа взаимодействия с противоприхватной жидкостью, что делает актуальным ускорение процесса отлипания.
В свете изложенного перспективна модификация дизельного топлива маслорастворимыми комплексными добавками, выполняющими функцию деструкции глины и ускоряющими
проникновение углеводорода к поверхности контакта «глина - металл». В качестве такой добавки нами предложен хелатный брейкер СУПРАМОЛ-1, способный разрушать глинистые сальники за счет связывания катионов обменного комплекса глины и вывода их в углеводородную фазу противоприхватной жидкости [2]. Для ускорения освобождения от прихвата СУПРАМОЛ в зависимости от внешних условий умеет перестраивать образуемую в растворе надмолекулярную структуру в направ-
лении реализации следующих функциональных откликов:
1) полиморфный переход из подвижной жидкости в гель, осуществляемый скачком при контакте с водой, содержащейся в порах глинистого сальника;
2) образование при контакте с водой двух различных мезогенов, осуществляющих блокирующую и разрыхляющую функции в составе противоприхватной жидкости;
3) динамическое загущение геля в виде реакции на сдвиговые деформации, воз-
бурение
Рис. 3. Мезофазы, возникающие в системе «водный раствор KCl - раствор СУПРАМОЛ-1» в дизельном топливе
Рис. 4. Схема возникновения и ликвидации прихвата
никающие в процессе его фильтрации по порам сальника.
Полиморфный переход из жидкости в гель при взаимодействии СУПРАМОЛа с водой продемонстрирован на рисунке 2. В состоянии геля СУПРАМОЛ-1 имеет критическую скорость сдвига, превышение которой приводит к обратимому нарастанию вязкости мицеллярного раствора во времени. Таким образом, при течении гидрогеля СУПРАМОЛ-1 наблюдается реодинамический эффект, состоящий в возрастании эффективной вязкости до 2,7 раза. С учетом реоди-намического эффекта эффективные вязкости гидрогеля и концентрата СУПРАМОЛ-1 при критической скорости сдвига отличаются в 621 раз, а без учета этого эффекта - в 233 раза, что указывает на наличие у исследуемого мицеллярного раствора выраженных адаптивных свойств, позволяющих с полным основанием отнести его к SMART-гелям, способным самоадапти-роваться к внешним условиям.
При взаимодействии углеводородного раствора СУПРАМОЛ-1 с водным раствором соли образуются три основных мезофазы. Первая представляет собой прозрачный углеводородный раствор сферических мицелл Хартли и характеризуется отсутствием электрической проводимости при выраженной способности к поглощению воды и ионов солей из внешней среды. Эта мезофаза является товарной формой, готовой к использованию противоприхватной жидкости. Инвертные мицеллы этой мезофазы способны разбухать за счет встраивания молекул воды и ионов
солей в их оболочку и заполнения полярными гостями эндополярофильной внутренней полости. Таким образом, они способны связать до 4% водного раствора соли на вес противопри-хватной жидкости. При этом мицеллы сохраняют внешнюю гидрофобность и число агрегации, что выражается в сохранении прозрачности и высокого электрического сопротивления углеводородного раствора при растворении в нем воды. Увеличение концентрации водного раствора соли свыше 4% приводит к образованию второй мезофазы, которая, как показано на рисунке 3, сосуществует в равновесии с первой.
Вторая мезофаза - это коагуляционная структура, образованная гидрофильными частицами СУП PAМOЛ-ГЕЛЯ в углеводородном мицеллярном растворе СУПPAМOЛ-1. Oтсутствие скачков тока (электрического пробоя) на вольт-амперных характеристиках противоприхватных жидкостей, содержащих водный раствор соли в количествах, допускающих образование СУПPAМOЛ-ГЕЛЯ, доказывает, что вторая мезофаза - это прямая эмульсия. Количество гидрогеля пропорционально содержанию в системе водного раствора соли, и, согласно рисунку 3, при достижении Z5% водосодержания вся противопри-
АСОЛ-ПІДТ ----1
АСОЛ-П/ДОЦ
Рис. 5. Сравнительные результаты оценки эффективности различных противопри-хватных жидкостей
хватная жидкость переходит в гидрогель. Максимальное количество воды, связываемое в составе гидрогеля, составляет 42%. Вода, поступившая в противоприхватную жидкость сверх указанного предела, остается неза-геленной и постепенно выделяется в виде третьей мезофазы, показанной на рисунке 3. Последняя представляет собой мицеллярный раствор СУПРАМОЛ-1 в воде, который в отличие от первой мезофазы содержит не инвертные, а прямые мицеллы.
С позиций эффективности противопри-хватной жидкости основное значение имеет блокирующий эффект, обусловленный возникновением второй мезофазы. За счет него фильтрационные потоки перераспределяются, как показано на рисунке 4.
В результате блокировки высокопроницаемой части сальника гелем в наиболее уплотненную контактную зону поступает углеводородный мицеллярный раствор, связывающий катионы обменного комплекса глины и вытесняющий воду с поверхности металла. Как следствие, использование раствора СУПРАМОЛа в дизельном топливе в качестве противоприхватной жидкости приводит к снижению липкости корки (ктр) в сравнении с дизельным топливом в 1,6 раза, снижению усилия среза сальника ^ср) в 21 раз и ускорению отлипания (Тотл) в 10 раз.
Для сравнения на рисунке 5 приведены результаты испытаний для противопри-хватных жидкостей на основе мицел-лярных дисперсий ионофоров, обозначенных как АСОЛ-П/ДТ и АСОЛ-П/ ДОЦ (растворы адаптивного лубриканта
АСОЛ-П в дизельном топливе и диокса-циклане соответственно). Ионофоры также образуют хелатные комплексы с солями, но в отличие от СУПРАМОЛа при контакте АСОЛ-П с водными растворами солей образуются не прямые, а высоковязкие обратные эмульсии. При этом блокирующий эффект усиливается, чем обусловлено исчезновение способности к деструкции сальника. Соответственно, в составе противоприхватной жидкости для усиления деструкции глинистых сальников целесообразно использовать хелато-бразующие добавки, образующие при контакте с водой гели в форме прямой микроэмульсии. Таким образом, соответствующая этому требованию про-
тивоприхватная жидкость на основе СУПРАМОЛа-1 эффективна при борьбе со сложными прихватами, когда помимо прихвата трубы по телу в стволе имеются сальники и шламовые пробки, ограничивающие подвижность замков.
ЛИТЕРАТУРА:
1. СоловьевА.Я. Взаимодействие замков с сальниками - недостающий элемент модели сил сопротивления перемещению труб в скважине // Территория «НЕФТЕГАЗ». - 2010. - № 5. -С. 18-23.
2. РамазановА.Р. Разработка противоприхватной жидкости на основе хелатного брейкера для работы в скважинах, осложненных глинистыми сальниками // Сборник научных трудов II Международной научно-практической конференции «Повышение качества строительства скважин». - Уфа: Нефтегазовое дело, 2010. - С. 153-159.
Drilling
Stuck pipe recovery - smart-gels improve results
A.Ya. Solovyov, Ph. D, Assoc. Prof., SEI HPE Ufa State Petroleum Technical Institute, e-mail: atractor@bk.ru; S.A. Bukin, B.S., SEI HPE Ufa State Petroleum Technical Institute, e-mail: 1sven@mai1.ru A challenging and costly situation to overcome in modern day directional drilling applications is stuck pipe in open hole due to differential and/or mechanical sticking forces and presence of clay cuttings accretion. Despite mitigation efforts to reduce stuck-pipe occurrences, drilling problems leading to stuck pipe still occur. Chances of recovery decay with time and conventional pipe released method with a oil-based antistick fluid frequently unsuccessful. The SMART-gel offers a new level of pipe released technology that maximizes the effect and reliability of recovery operation in challenging wellbore environments, where conventional recovery techniques are deemed insufficient. This increased efficiency offers substantial reduction in lost time, and an increased potential for well recovery. By incorporating pore-blocking technology and ability to accretion destruction, the recovery reliability and effectiveness improve exponentially.
Keywords: stuck pipe, lubricant, bail, friction factor, friction resistance, drill collars, cuttings accretion References:
1. Solovyov A.Ya. Vzaimodeystvie zamkov s sal'nikami - nedostayutshiy element modeli sil soprotivleniya peremetsheniyu trub v skvazhine (Interaction of locks with balls - missing element of the model of forces resistant to pipes moving in well) // Territoria NEFTEGAS. - 2010. - № 5. - P. 18-23.
2. Ramazanov A.R. Razrabotka protivoprikhvatnoy zhidkosti na osnove khelatnogo breikera dlya raboty v skvazhinakh, oslozhnennykh glinistymi sal'nikamy (Development of anti-sticky fluid based on chelate breaker for work in wells complicated by clay balls) // Scientific works collection of Improving the quality of wells construction, II International Scientific and Practical Conference. - Ufa: Neftegazovoe delo, 2010. - P. 153-159.
