CC BY
1УДК 347.736.5
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ С МЕРЗЛЫМИ ГИДРАТОСОДЕРЖАЩИМИ ПОРОДАМИ
И Чувилин Е. М., Кривохат Е. О., Соколова Н. С., Буханов Б. А.
Центр науки и технологий добычи углеводородов Сколтех, Москва, Россия
E-mail: [email protected]
В данной работе на основе экспериментального моделирования проведен анализ влияния состава и температуры буровых растворов на процесс дестабилизации внутримерзлотных газогидратов. Необходимость данных исследований связана с бурением скважин нефтегазового комплекса в районах арктической криолитозоны. Поскольку буровые растворы являются неотъемлемой частью процесса бурения скважин, исследование их взаимодействия с вмещающими льдо- и гидратосодержащими породами крайне необходимы для предотвращения различных аварийных ситуаций, связанных с диссоциацией поровых газовых гидратов и льда.
Ключевые слова: Арктика, многолетнемерзлые породы, газовые гидраты, бурение скважин, буровые растворы, диссоциация гидрата, таяние.
EXPERIMENTAL STUDY OF THE DRILLING FLUIDS TERACTION WITH FROZEN HYDRATE-SATURATED ROCKS
И Chuvilin E. M., Krivokhat E. O., Sokolova N. S., Bukhanov B. A.
Center for Petroleum Science and Engineering Skoltech, Moscow, Russia
This study on the base of experimental modelling covers the analysis of effect of drilling fluids composition and temperature on intrapermafrost gas hydrate destabilization. The relevance of these investigations is associated with oil and gas drilling operations in the Arctic permafrost. The drilling fluids are an integral part of the well drilling process, and experimental study of their interaction with host ice and hydrate-containing rocks is hardly necessary to prevent various emergency situations associated with gas hydrates and ice dissociation.
Key words: Arctic, permafrost, gas hydrates, well drilling, drilling fluids, hydrate dissociation, melting.
Введение. Арктический регион на сегодняшний день является перспективным районом для нефтегазового комплекса, однако добыча нефти и газа здесь осложняется многими факторами, что предъявляет особые требования к технологии проведения буровых работ [3, 5, 8]. Так, существующие в мерзлых породах газовые гидраты, представляющие собой льдопод-ные кристаллические соединения, характеризуются высокой чувствительностью к термобарическим и химическим воздействиям. При освоении нефтегазовых месторождений в Арктике гидратосодержащие породы криолитозоны могут быть подвержены влиянию различных природных и техногенных жидкостей, в том числе буровых растворов, что может
привести не только к ухудшению различных физических свойств вмещающих пород, но и к активной эмиссии метана вследствие диссоциации поровых газовых гидратов [2, 6]. Буровые растворы, представляющие собой жидкости, которые циркулируют через всю скважину для выноса выбуренных пород на поверхность в ходе бурения, обычно являются многокомпонентными дисперсными системами, состоящими в основном из смеси воды, глины, утяжеляющих компонентов (например, барита, сидерита и т. д.) и различных химических реагентов [1]. Благодаря активному освоению Арктического региона нефтегазовой отраслью буровые растворы выступают в роли одного из наиболее распространенных видов воздействия на льдо- и гидратосодержащие породы. В связи с этим возникает необходимость изучения особенностей данного воздействия, в том числе в постановке специальных экспериментов для оценки влияния различных факторов (в частности, состава и температуры буровых растворов) на стабильность газовых гидратов.
Методика. Исследование было основано на физическом моделировании взаимодействия мерзлых гидратонасыщенных образцов с буровыми растворами, имевшими различный состав и температуру (от -6 до +3 °С), с последующей оценкой изменения гидратонасыщенности мерзлых образцов в процессе данного взаимодействия. Эксперименты проводились при атмосферном давлении и фиксированной отрицательной температуре окружающий среды (-6 и -3 °С). В экспериментальном моделировании использовались несколько различных по составу буровых растворов, как полученных с северных месторождений (буровой раствор на углеводородной основе и полимерный недиспергирущий буровой раствор), так и приготовленных в лабораторных условиях (пресный и минерализованный хлоридами натрия и кальция буровые растворы на основе бентонитового глинопорошка ПБМБ). В качестве объекта исследования были выбраны льдо- и гидратосодержащие песчаные образцы. Для изготовления мерзлых ги-дратонасыщенных образцов был использован незасоленный кварцевый мелкозернистый песок с влажностью 12%. Насыщение песчаных образцов гидратом метана проводилось с использованием авторской методики, которая позволяет получать образцы с высоким содержанием порового гидрата (40^60%) и равномерным гидратонасыщением по всему объему образца [4]. Мерзлые гидратонасыщенные образцы песка приводились в контакт с буровыми растворами, после чего через определенные промежутки времени (максимальное время — 3 ч) снимались с контакта и затем поинтервально разделывались для последующего определения доли поровой влаги в гидрате (коэффициента гидратности КЬ).
Результаты. Эксперименты, проведенные при температуре -6 °С по взаимодействию мерзлых гидратонасыщенных образцов с буровыми растворами на углеводородной основе, имевшими температуру +3 ° и -6 °, показали существенное влияние температуры бурового раствора на распределение коэффициента гидратности (КЬ) в образце. Так, при температуре бурового раствора -6 °С изменения КЬ по длине образца отмечено не было, в то время как для бурового раствора с температурой +3 °С отмечалось скачкообразное снижение КЬ от 0,41 до 0,27 на расстоянии 1,2 см от места контакта, что может быть объяснено прежде всего тепловым воздействием бурового раствора.
Эксперименты по изучению влияния состава бурового раствора на поровые газовые гидраты в мерзлых гидратонасыщенных песчаных образцах с использованием бурового раствора на углеводородной основе и полимерного недиспергирующего бурового раствора, имевших начальную температуру +3 °С, были проведены при температуре окружающей среды -3 °С. В обоих случаях вблизи зоны контакта за 3 ч отмечалось интенсивное разложение порового газогидрата, что может быть связано с тепловым воздействием бурового раствора, которое постепенно снижалось по мере удаления от зоны контакта. В случае с полимерным недиспергирующим буровым раствором его воздействие на диссоциацию поровых газогидратов распространилось на большее расстояние, что может быть объяснено миграцией отдельных компонентов из этого бурового раствора вглубь мерзлого гидратосодержащего образца (рис. 1).
Влияние состава бурового раствора на процесс диссоциации порового газового гидрата в мерзлых гидратонасыщенных песчаных породах также изучалось на примере буровых растворов (минерализованного и пресного), приготовленных на основе бентонитового глинопорошка ПБМБ. Эти исследования проводились при одинаковой температуре окружающей среды и буровых растворов, равной -6 °С. За время взаимодействия образцов с этими буровыми растворами, равное 1,15 ч, поровый газовый гидрат °'6 1 полностью разложился на расстоянии 4,7 см
от места контакта в случае контакта с минерализованным буровым раствором (рис. 2).
За такое же время при контакте мерзлого гидратосодержащего образца с пресным буровым раствором значения коэффициента гидратности в образце практически не изменились и остались близким к начальному значению Кь =0,45 (см. рис. 2).
Выводы. Экспериментальное моделирование взаимодействия буровых растворов с мерзлыми гидратосодержащими песчаными образцами показало, что состав буровых растворов и температурные условия могут оказывать значительное влияние на процессы диссоциации внутримерзлотных газогидрат-ных образований. Наличие минеральных солей в составе буровых растворов приводит к интенсивному разложению поровых газовых гидратов за счет процессов диффузии ионов Рис. 2. Влияние состава бурового раствора на изменение и водорастворимых компонент бурового рас-
к°эффициента гадратшсти ^ м^льк гадратонаот- твора, что ранее отмечалось в эксперимен-щенных песчаных образцов с начальным К =0,45 через
, ,, „ л тальных исследованиях по взаимодействию
1,15 ч после их взаимодеиствия при температуре -6 °
Рис. 1. Влияние состава бурового раствора на изменение коэффициента гидратности Кь мерзлых гидратонасыщенных песчаных образцов с начальным К =0,40 через 3 ч после их взаимодействия при температуре -3 °С (начальная температура буровых растворов +3 °С)
высокоминерализованных растворов солей с мерзлыми гидратонасыщенными породами [7]. Наряду с этим важную роль играет температура бурового раствора, ее повышение выше 0 °С вызывает разложение порового гидрата за счет теплового воздействия даже в условиях отсутствия процессов массопереноса.
В результате полученные результаты позволяют предположить, что даже высококачественные охлажденные буровые растворы при небольшом нагревании (например, в результате механического воздействия в процессе проходки бурового долота) или в случае попадания в них различных природных солей (например, при вскрытии горизонтов засоленных мерзлых пород или криопэгов при проходке скважины через гидратонасыщенный пласт) становятся достаточно агрессивными в отношении газогидратных образований, способствуя их неконтролируемой активной диссоциации, сопровождающейся целым рядом негативных последствий, — в частности, с выделением значительных объемов свободного газа, масштабы выбросов которого достаточно сложно заранее спрогнозировать.
Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 22-17-00112.
Список литературы
1. Ермолаева Л. В. Промывочные растворы в бурении. Самара: Самарский государственный технический университет, 2020. 51 с.
2. Перлова Е. В., Микляева Е. С., Леонов С. А. и др. Газовые гидраты полуострова Ямал и прилегающего шельфа Карского моря как осложняющий фактор освоения региона // Вести газовой науки. 2017. №. 3 (31). С. 255-262.
3. Тимофеев Н. Г., Скрябин Р. М., Атласов Р. А. О температурном режиме при бурении скважин в условиях криолитозоны // Наука и образование. 2017. №. 3 (87). С. 51-56.
4. Чувилин Е. М., Гурьева О. М. Экспериментальное изучение образования гидратов СО2 в поровом пространстве промерзающих и мерзлых пород // Криосфера Земли. 2009. Т. 13, №. 3. С. 70-79.
5. Якушев В. С. Разработка газовых и газоконденсатных месторождений в сложных геокриологических условиях. М.: РГУ нефти и газа, 2014. 185 с.
6. Chuvilin E., Ekimova V., Davletshina D. et al. Evidence of Gas Emissions from Permafrost in the Russian Arctic // Geosciences. 2020. Vol.10. P. 383.
7. Chuvilin E., Ekimova V., Davletshina D. et al. Migration of Salt Ions in Frozen Hydrate-Saturated Sediments: Temperature and Chemistry Constraints // Geosciences. 2022. Vol.12, N 7. P. 276.
8. Ma Y., Yang J., Feng P. et al. The challenges and key technology of drilling safety in the area of the Arctic // Proceedings of the International Field Exploration and Development Conference 2018 8th. Springer Singapore, 2020. P. 522-532.
References
1. Ermolaeva L. V. Promyvochnye rastvory v burenii. Samara: Samara Polytech Flagship Univesity, 2020. 51 s.
2. Perlova E. V., Miklayeva E. S., Leonov S. A. et al. Gazovye gidraty poluostrova Yamal i prilegayushchego shel'fa Karskogo morya kak oslozhnyayushchij faktor osvoeniya regiona // Vesti gazovoj nauki. 2017. N 3 (31). S. 255-262.
3. TimofeevN. G., Skryabin R. M., Atlasov R. A. O temperaturnom rezhime pri burenii skvazhin v usloviyah kriolitozony // Nauka i obrazovaniye. 2017. N 3 (87). S. 51-56.
4. Chuvilin E. M., Gur'eva O. M. Eksperimental'noe izuchenie obrazovaniya gidratov SO2 v porovom prostranstve promerzayushchih i merzlyh porod // Kriosfera Zemli. 2009. Vol 13., N 3. S. 70-79.
5. Yakushev VS. Razrabotkagazovykhigazokondensatnykhmestorozhdeniyvslozhnykhgeokriologicheskikh usloviyakh. Moscow: RGU nefti i gaza, 2014. 185 s.
6. Chuvilin E., Ekimova V., Davletshina D. et al. Evidence of Gas Emissions from Permafrost in the Russian Arctic // Geosciences. 2020, v.10. P. 383
7. Chuvilin E., Ekimova V., Davletshina D. et al. Migration of Salt Ions in Frozen Hydrate-Saturated Sediments: Temperature and Chemistry Constraints // Geosciences. 2022. Vol.12, N 7. P. 276.
8. Ma Y., Yang J., Feng P. et al. The challenges and key technology of drilling safety in the area of the Arctic // Proceedings of the International Field Exploration and Development Conference 2018 8th. Springer Singapore, 2020. P. 522-532.
