CC BY
15БУРЕНИЕ
УДК 622.24
О.Ю. Шарова, ведущий инженер, е-mail: SharovaOU@bashneft.ru; В.Ю. Клеттер, к.т.н., ведущий инженер; А.В. Самсыкин, к.т.н., ведущий инженер, О.И. Валиева, к.х.н., инженер, ООО «БашНИПИнефть»;
Ф.А. Агзамов, д.т.н., профессор, кафедра бурения нефтяных и газовых скважин, ФГБОУ ВПО УГНТУ
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТОВ СИНЕРГЕТИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОМПОЗИЦИЙ РЕАГЕНТОВ В ГЛИНИСТЫХ БУРОВЫХ РАСТВОРАХ
В статье рассмотрены лабораторные исследования по выявлению синергетического эффекта взаимодействия реагентов, содержащихся в глинистых буровых растворах. Приведены результаты, подтверждающие существование синергетического эффекта в виде улучшения реологических и фильтрационных свойств у данного типа бурового раствора при минимально возможных концентрациях реагентов.
Применение в составе бурового раствора композиций сухих смесей химических реагентов, обладающих эффектом синергетического взаимодействия, по мнению авторов, открывает значительный потенциал для дальнейшего развития технологий бурения нефтяных и газовых скважин.
В качестве объекта исследований, основной целью которых являлось получение рецептур буровых растворов, отвечающих основным требованиям горно-технологическим условий бурения, выбраны глинистые растворы, содержащие для стабилизации ряда своих параметров полимерные компоненты в минимально возможной концентрации, по замыслу исследований.
Из практики применения промывочных жидкостей известно, что для улучшения технологических свойств глинистого раствора, приготовленного из низкоколлоидальных глинопорошков, наряду с методом механической активации также используется и физикохимический метод воздействия на глинистую фазу. Следует отметить, что в последние десятилетия на рынке реагентов для бурения широкое распространение получили химически модифицированные глинопорошки. В качестве модификаторов в основном
используются полимеры (экстендеры) сравнительно высокой молекулярной массы и соли щелочных металлов, повышающих катионнообменную емкость, добавляемые непосредственно в сухой глинопорошок. В большинстве случаев высокомолекулярными компонентами являются синтетические полимеры типа частично гидролизованных полиакриламидов (ЧГПАА).
Говоря о качестве полимер-глинистых растворов, приготовленных из модифицированных глинопорошков (в частности, бентопорошков), следует отметить, что наряду с удовлетворительными реологическими показателями для данных растворов характерны низкая стабильность дисперсионных систем, склонность к флокуляции и повышенный расход реагентов-стабилизаторов. Причина указанных недостатков - в том, что основным критерием качества глинопорошков для производителей является максимальный выход глинистого раствора. Устранение перечисленных недостатков достигается путем дополнительного включения в состав смесей высокомолекулярного экстендера. Традиционно используемые для этих целей реагенты на основе натрий-карбоксиметилцеллюлозы не обладают достаточной эффективностью в составе
сухих смесей из-за относительно невысокой (по сравнению с ЧГПАА) загущающей способностью. Поэтому для лабораторных исследований использовались образцы того же соединения с более высокой молекулярной массой и степенью замещения карбоксильных групп.
На первоначальном этапе лабораторных исследований были проведены сравнительные эксперименты с рядом реагентов на основе высокомолекулярных ПАЦ, ЧГПАА и глинопорошком (марки ПКГН). Для сравнения реагентов одного типа в качестве критерия оценки были приняты значения реологических показателей: эффективной вязкости (ЭВ) и вязкости при низких скоростях сдвига (ВНСС) при минимальных концентрациях компонентов. Наилучший результат показали реагенты ПАЦ-ВВ и PowelGel Р.
На рисунках 1 и 2 изображены аппроксимированные трехмерные графики, построенные по результатам экспериментов систем ПКГН - карбонат натрия - ПАЦ-ВВ, ПКГН - карбонат натрия - Роше1^е1 Р. Здесь и далее по тексту концентрация глинопорошка указана в г/1000 мл воды; концентрация остальных компонентов - в масс. % к глино-порошку.
а) б)
Рис. 1. Влияние различных концентраций реагентов PowelGel Р (а) и ПАЦ-ВВ (б) на эффективную вязкость
Из графиков видно, что при определенных концентрациях глинопорош-ка и экстендеров существует область значений, характеризующаяся резким нелинейным ростом реологических показателей свойств.
Отмечена также неравнозначность действия различных типов экстендеров на показатели вязкости: наибольшее приращение значений вязкости при высоких скоростях сдвига (ЭВ, 1024 с-1) наблюдается для растворов, содержащих ЧГПАА. В свою очередь, ПАЦ сильнее оказывает влияние на показатель ВНСС (0,07 с-1). Поэтому для комбинированного сочетания
свойств полимерных реагентов были проведены испытания по совместному применению двух типов экстендеров в составе сухой полимер-глинистой смеси. С целью выявления возможных эффектов взаимодействия в данной системе исследованы идентичные по составу буровые растворы, приготовленные различными способами:
А) Последовательный ввод компонентов в следующем порядке: Н20 —> ПКГН (перемешивание в течение двух часов) —> Na2COз (перемешивание в течение 30 минут) —> ПАЦ-ВВ (перемешивание в течение одного часа) —> PowelGel Р (перемешивание в течение одного часа).
Б) Последовательный ввод компонентов в следующем порядке: Н20 —у ПКГН (перемешивание в течение двух часов) —► Na2C03 (перемешивание в течение 30 минут) —> PowelGel Р (перемешивание в течение одного часа) —>• ПАЦ-ВВ (перемешивание в течение одного часа).
В) Приготовление раствора в виде сухой смеси:
H20+ПКГН+Na2C03+ПАЦ-ВВ+PoweLGeL Р (перемешивание в течение двух часов). Результаты измерений технологических параметров исследуемых буровых растворов приведены в таблице 1. Приведенные данные позволяют говорить о наличии синергетического
а) б)
Рис. 2. Влияние различных концентраций реагентов PowelGel Р (а) и ПАЦ-ВВ (б) на ВНСС
WWW.NEFTEGAS.INFO
\\ бурение \\ 17
бурение
Таблица 1. Результаты исследования технологических параметров буровых растворов
Способ приготовления Состав раствора Время, ч УВ, с ЭВ мПа^с ПФ, см3 / 30 мин. ВНССсПз
А 15% ПКГН +3% Na2CO3 + 0,3% ПАЦ-ВВ +0,2% Рошейеі Р 2 34 24,5 11,7 18596
24 28 20,5 11,1 16197
Б 15% ПКГН +3% Na2CO3 +0,2% Рошейеі Р + 0,3% ПАЦ-ВВ 2 28 19 10,1 25395
24 28 19,5 9,5 19296
В 15% ПКГН+3% Na2C03+0,2% Рошейеі Р + 0,3% ПАЦ-ВВ 2 46 25,5 9,8 41897
24 48 24 9,2 31393
А 15% ПКГН +3% Na2CO3 + 0,2% ПАЦ-ВВ+0,3% Рошейеі Р 2 40 24,5 10,0 32693
24 64 26,5 9,9 29694
Б 15% ПКГН +3% Na2CO3 +0,3% Рошейеі Р + 0,2% ПАЦ-ВВ 2 24 19,5 11,7 13497
24 28 20,5 11,5 17496
В 15% ПКГН +3% Na2C03+0,3% Рошейеі Р + 0,2% ПАЦ-ВВ 2 44 25 10,4 51188
24 52 27 6,1 42591
эффекта взаимодействующих компонентов в сухой смеси, выражающегося в неаддитивном повышении значений реологических показателей полимер-глинистой системы. Можно предположить, что полученные результаты являются либо следствием межмолекулярных взаимодействий между полимерными агломератами, либо результатом адсорбционного структурирования системы в целом. Анализ литературных данных в большей степени не исключает вероятности проявления синергетических эффектов за счет химических реакций [1]посредством функциональных групп (гидроксильных и амидных) исследуемых реагентов - PoweLGeL Р и ПАЦ-ВВ. Однако вклад межполимерных взаимодействий в процесс увеличения эффективной вязкости буровых растворов с коллоидной глинистой фазой намного меньше, чем протекающие в системе адсорбционные процессы. Основываясь на адсорбционном механизме структурирования системы, можно объяснить различие в технологических параметрах буровых растворах, полученных различными способами (т.е. систем А, Б, В). Согласно данным работы [2], свойства суспензии определяет первоначально добавленный полимер, адсорбированный на дисперсных частицах (частицах глины). Полимер, добавленный позже, остается в составе дисперсионной среды, т.е. в случае системы А определяющим свойства раствора является реагент ПАЦ-ВВ. Однако, согласно данным работы [3], известно,
что полианионный стабилизатор весьма слабо взаимодействует с глинистой поверхностью, при этом, вероятнее всего, молекулы PoweLGeL Р, находясь в дисперсионной среде, будут вносить незначительный вклад в процесс увеличения вязкости системы. Поэтому раствор А обладает самыми низкими значениями вязкости (ВНСС).
Более высокие реологические показатели раствора Б могут быть объяснены первоначальным вводом PoweLGeL Р в глинистую суспензию. ЧГПАА адсорбируется полярной частью в сторону отрицательно заряженной глинистой поверхности, а неполярная часть переходит в дисперсионную среду, уменьшая электрокинетический потенциал поверхности глины [4]. Однако добавление кальцинированной соды в глинистый раствор Б способствует увеличению рН среды. Поэтому в слабощелочной среде в молекулах ЧГПАА увеличивается количество карбоксильных группировок, чередующихся с амидными группами. При этом существует мнение [4, 5, 6], что ЧГПАА, избирательно адсорбируясь на глине, не образует полимолекулярных адсорбционных слоев и в основном содержится в дисперсионной среде. При этом некоторая часть ЧГПАА адсорбируется на поверхности частиц, образуя между ними мостики, и обуславливает структурирование системы за счет появления единой полимер-дисперсной пространственной сетки и как результат - увеличение вязкости исследуемых растворов. Как указывалось выше, ад-
сорбция ПАЦ-ВВ на поверхности глинистых частиц незначительна. Однако в рассмотренных нами глинистых суспензиях, первоначально обработанных PowelGel Р, создаются так называемые активные центры для адсорбции ПАЦ-ВВ, причем его адсорбция может осуществляться в результате гидрофобных взаимодействий с молекулами ЧГПАА. Таким образом, последовательный ввод в глинистый раствор полиакриламида и полианионной целлюлозы способствует повышению вязкости раствора как за счет эффективной адсорбции молекул PowelGel Р на частицах глины, так и за счет дополнительной адсорбции молекул ПАЦ путем гидрофобных взаимодействий с молекулами ЧГПАА. Буровые растворы (система В), приготовленные в виде сухих смесей, характеризуются наилучшими реологическими показателями. При одновременном добавлении реагентов ПАЦ-ВВ и Роше^еі Р полимеры участвуют в конкурентной адсорбции на глинистой поверхности. При добавлении реагентов в виде сухой смеси карбонат натрия, не успев прореагировать с глинистыми частицами (как это было в случае поочередного ввода реагентов), создает в растворе щелочную среду, за счет чего происходит дополнительный гидролиз молекул Роше^еі Р, сопровождающийся превращением амидных групп в карбоксильные. В результате гидролиза в растворе остается большее количество не ассоциировавших между собой макромолекул ЧГПАА, которые занимают большее число адсорбционных актив-
Таблица 2. Результаты экспериментов с варьированием содержания компонентов сухой смеси
Состав сухой смеси, % Технологические параметры буровых растворов
Пкт Na2CO3 PoweLGeL P ПAЦ-BB р, г/см3 yB, с ЭB, мПа.с BHCC, сПз ПФ, см3 / 30 мин.
8 3 0,5 0,5 1,05 24 12,0 599,9 4,4
15 3 0,1 0,4 1,09 24 14,0 25б95 4,2
15 3 0,3 0,2 1,09 28 14,5 28094 4,7
22 3 0,05 0,2 1,14 32 13,5 5б988 б,2
22 3 0,1 0,5 1,14 28 15,5 48390 б,0
ных центров, за счет чего дополнительно увеличивается вязкость раствора. Таким образом, при использовании полимер-глинистых смесей, содержащих композиции полимеров Роше^еі Р и ПАЦ-ВВ, резко возрастает величина адсорбции, которая превышает суммарную адсорбцию исходных индивидуальных полимеров, обеспечивая синергетическое повышение реологических свойств буровых растворов.
На заключительном этапе исследований была проведена серия лабораторных экспериментов по определению влияния содержания исходных компонентов сухой смеси на реологические и фильтрационные параметры полученных полимер-глинистых растворов. Часть полученных результатов опытов представлена в таблице 2.
Из представленных выше результатов лабораторных исследований следует,
что, варьируя исходные концентрации базовых реагентов, можно получить буровые растворы с заданным набором технологических параметров.
Таким образом, полученные результаты исследований позволяют утверждать, что существование эффектов синергетического взаимодействия у компонентов полимер-глинистых дисперсных систем дает возможность рекомендовать в дальнейшем разработку составов буровых растворов в виде сухих смесей. У приготовленных таким способом буровых растворов будут лучшие значения плотности, вязкостных и фильтрационных характеристик при минимальном содержании дорогостоящих высокомолекулярных реагентов, а значит, эти растворы будут более качественными по сравнению с буровыми растворами, приготовленными по традиционной технологии.
Прибор контроля газосодержания в буровых растворах ПГР-1
Применяется согласно:
^ПБ-08-624-03 “Правила безопасности нефтяной и газовой промышленности”
Ш РД 39-00147001-773-2004
“Методика контроля параметров
буровых растворов”
готовим прибор к применению
заливаем буровой раствор
создаем давление 3 Атм
снимаем показания % газосодержания
ФГУП СПО “АНАЛИТПРИБОР”
Россия, 214031, г. Смоленск, ул. Бабушкина, 3 Тел.: (4812) 31-11-68; Факс: (4812) 31-75-16; E-mail: market@analitpribor-smolensk.ru http://www.anaiitpribor-smolensk.ru ІШр://анапитприбор.рф
Литература:
1. О необходимости применения поликомплексных реагентов при бурении скважин в Западной Сибири/ Г.П. Зозуля, В.П. Зозуля, Л.А. Паршукова и др. // Нефть и газ. №1, 1997. - С. 59-64.
2. Бурунова Е.Н., Борзова С.Т., Дамирчиева Л.В. Определение оптимальных условий гидролиза отходов полиарилонитрильных волокон различного состава для их применения при химической обработке буровых растворов // Разработка и применение прогрессивных систем буровых растворов. Вып. 3, 1988. - С. 107-126.
3. Берчелл С. Взаимодействие «смектит - полимер» в водных системах// Clay Minerals. №18,1983. - Р. 373-397.
4. Лушпеева О.А., Кошелев В.Н., Вахрушев Л.П., Беленко Е.В. О природе синергетического эффекта в полимер-глинистых буровых растворах// Нефтяное хозяйство. №3, 2001. - С. 28-30.
5. Абдурагимова Л.М., Асланова С.Б., Мамедов И.А. Влияние состава дисперсной среды на электрокинетический потенциал бентонита// Коллоидный журнал. T.L. №1, 1988. - С. 117-120.
6. Растворы на полимерной основе для бурения скважин. - М.: ВНИИОЭНГ, 1986. -100 с.
Ключевые слова: синергетический эффект, химические реагенты, буровой раствор, экстендер.
WWW.NEFTEGAS.INFO
