CC BY
286
УДК б22.24
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТОВ СИНЕРГЕТИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КСАНТАНОВОЙ И ГУАРОВОЙ СМОЛ В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ
© О. И. Валиева1*, О. Ю. Шарова1, В. Ю. Клеттер1,
1 л і
Р. А. Мулюков , И. М. Борисов ,
1ООО «БашНИПИнефть»
Россия, Республика Башкортостан, 450006 г. Уфа, ул. Ленина 86/1.
Тел.: +7 (347) 262 45 42.
E-mail: valievaoi@bashneft. ru 2Башкирский государственный педагогический университет им. М. Акмуллы Россия, Республика Башкортостан, 450008 г. Уфа, ул. Октябрьской Революции 3а.
3Башкирский государственный университет Россия, Республика Башкортостан, 450074 г. Уфа, ул. Заки Валиди, 32.
В настоящей работе описаны лабораторные исследования по выявлению эффектов взаимодействия биополимерных реагентов, содержащихся в полисахаридных буровых растворах. Приведены и обоснованы результаты, подтверждающие наличие синергетического эффекта в виде неаддитивного повышения реологических показателей у данного типа промывочных жидкостей.
Ключевые слова: буровые растворы, синергетический эффект, биополимеры, струк-
турно-реологические свойства.
Практика нефтедобычи показывает, что увеличение дебитов нефтяных скважин напрямую связано с качеством проводимых буровых работ. Процесс бурения является одной из самых капиталоемких статей затрат при разработке месторождений [1]. Важным этапом в технологии строительства скважин является подготовка промывочной жидкости, определяющей во многом эффективность первичного вскрытия продуктивного пласта, а также коммерческую скорость бурения (определяется проходкой за один месяц работы буровой установки).
Исследования физико-химических процессов, протекающих в промывочных жидкостях, а также их состояния при взаимодействии со стенками скважины, выбуренной породой и пластовыми флюидами, позволяют разработать новые научные подходы к созданию растворов и управлению ими с целью получения системы с оптимально заданными свойствами. Придание буровым растворам заданных свойств и поддержание их на определенном уровне во время бурения скважины является весьма сложной технической задачей, которая решается с помощью физико-химического воздействия на раствор. В настоящей работе исследован полисахаридный раствор с ярко выраженными псевдопластич-ными свойствами [2-4].
Буровые растворы, содержащие полимерные реагенты, относят к классу «неньютоновских жидкостей». Поведение этих псевдопластичных жидкостей описывается степенным законом следующей вида [5, 6]:
Напряжение сдвига = К х (скорость сдвига)11, где п(р) и п(й) - показатели нелинейности в трубах и затрубном пространстве соответственно, физический смысл которых заключается в степени отличия буровых структурированных растворов от ньютоновских жидкостей (п(р) = 3.32 ^(ф6оо/фзоо), п(а) = 0.657 ^(ф100/ф3)); К - мера консистенции (эквивалентна вязкости ньютоновской жидкости); ф600,
ф300, ф100, ф3 - показания ротационного вискозиметра (FANN, OFITE) при соответствующих скоростях вращения, характеризующие скорость движения буровых растворов в трубах и затрубном пространстве.
Для оценки изменения псевдопластичных свойств бурового раствора использовали следующие показатели:
- эффективную вязкость (ЭВ, мПас) = фб00/2 -определяется при высокой скорости сдвига (1022 с-1);
- вязкость при низких скоростях сдвига (ВНСС, сПз - вязкость бурового раствора, определенная при скорости сдвига 0.0636 с-1 на вискозиметре Brookfield LV II+ Pro);
- условную вязкость (УВ, с) - косвенно характеризует гидравлическое сопротивление течению);
- показатель нелинейности в трубах n(p) и за-трубном пространстве n(a).
При выборе базового состава исследуемого полисахаридного бурового раствора принята модель промывочной жидкости на основе биополи-мерных структурообразователей. Данные реагенты на 75-90% определяют структурно-реологические свойства полисахаридных систем. Авторами проведены эксперименты по использованию биополимеров в составе сухих смесей. В качестве биополи-мерных реагентов были выбраны ксантановая (Xan-than Gum, Wenda Co., Ltd) и гуаровая (Гуамин HV, ООО «СХТ», г. Казань) смолы. Все исследования проводились при температуре 20 °С.
Сравнительный анализ зависимости n(p) и n(a) от концентрации водных растворов данных реагентов (рис. 1) показывает, что растворы ксантана и гуара при высоких скоростях сдвига (эквивалентных, возникающим в бурильных трубах) показывают псевдопластичные свойства, усиливающиеся с увеличением концентрации. В области средних скоростей сдвига (5...170 с-1) показатель нелинейности n(a) раствора гуаровой смолы заметно больше, чем у ксантановой.
* автор, ответственный за переписку
n
n
n(p)
n(a)
[Xanthan Gum], %
n(p)
n(a)
[Гуамин HV], %
Рис. 1. Влияние концентрации раствора Xanthan Gum и Гуамин HV на показатели нелинейности в трубах n(p) и в затрубном
пространстве п(а).
ВНСС-10, сПз
ЭВ, мПа- с
А Xanthan Gum [биополимер], % —Л— Xanthan Gum
—•— Г уамин HV —•— Гуамин HV
[биополимер], %
Рис. 2. Зависимость ЭВ и ВНСС от концентрации раствора Xanthan Gum и Гуамина HV.
Изучение реологических свойств водных растворов исследуемых реагентов показало, что несмотря на значительное превышение молекулярной массы гуаровой смолы (200000 а.е.м.) по сравнению с ксантановой (5000000 а.е.м.), растворы Гуамин НУ характеризуются более высокими значениями ЭВ. При низкой скорости сдвига, равной 0.0636 с-1 (рис. 2), наибольшее приращение значений ВНСС с увеличением концентрации реагента показывает раствор ксантана.
Графики на рис. 2 описываются полиномами второй степени:
ВНСС = 203080 [ксантан]2 -
- 23862 [ксантан] + 439 (Я = 0.999), (1)
ВНСС = 63083 [гуар]2 -
- 38371 [гуар] + 4029 (Я = 0.992); (2)
Полученные нами экспериментальные данные могут быть объяснены при рассмотрении структу-
ры исследованных полисахаридов. Структурной единицей молекулы ксантана является повторяющийся пентасахаридный фрагмент, состоящий из Р-Д-глюкозы, а-Д-маннозы и а-Д-глюкуроновой кислоты (в соотношении 2:2:1). Молекулы Р-,0-глюкозы, соединяясь 1,4-гликозидной связью, образуют основную цепь, где каждый второй глюкоз-ный остаток содержит короткое боковое звено из трех моносахаридных единиц, в котором остаток глюкуроновой кислоты располагается между двумя остатками а-Д-маннозы. Конечный остаток манно-зы может содержать пируватную группу, а манноза, примыкающая к основной цепи,- ацетатную группу при шестом углеродном атоме. Растворимость ксантанов и их состояние в воде определяется особенностями химического строения. Наличие карбоксильных (остатки глюкуроновых кислот) и пи-руватных кислотных групп обеспечивает ксантано-
вым молекулам достаточно высокий отрицательный заряд. Благодаря наличию регулярных боковых звеньев с кислотными группами, происходит взаимное отталкивание отдельных молекул, что приводит к повышению их гидратации и, как следствие, к раскручиванию спиралевидных макромолекул. Это приводит к снижению ВНСС. С другой стороны, молекулы ксантана в водных растворах склонны к самоассоциации, и с повышением ионной силы раствора или концентрации полисахарида формируется гель [6, 8]. Он представляет собой трехмерную сетку, образованную из двойных спиралей ксантана, связанных межмолекулярными водородными связями. Гелеобразование существенно повышает ВНСС и, видимо, является основным фактором, описываемым первым слагаемым в уравнении (1).
В свою очередь, по химическому строению гуаровая камедь представляет собой неионогенный полисахарид растительного происхождения. Молекулярная структура представляет собой прямую цепь, образованную галактозой и маннозой в соотношении приблизительно 2:1. Галактоманнан является гидроколлоидом с высоким молекулярным весом. Вязкость раствора полисахарида определяется наличием функциональных групп, за счет которых образуются водородные связи. Можно предположить, что чем прочнее образуется водородная связь, тем выше будет вязкость полисахаридного раствора. Если сравнить строение исследованных нами полисахаридов, то видно, что в случае ксан-тана водородные связи образуются за счет имеющихся кислотных группировок (ацетатных, пиру-
Фактические результаты прш
ватных), а в случае гуара - посредством гидроксильных групп. Как известно, прочность водородных связей определяется природой функциональных групп, а именно, кислотные группировки характеризуются более прочными водородными связями, чем гидроксильные. Поэтому растворы ксан-тана дают более вязкие растворы, чем гуровая камедь, что подтверждается проведенными нами экспериментальными данными (рис. 2, уравнения (1) и (2)).
Для проверки эффектов парного взаимодействия вышеуказанных химических реагентов проведены экспериментальные исследования влияния смесей биополимеров на изменение структурнореологических показателей технологических параметров буровых растворов. Результаты исследований приведены в табл. 1.
По структурно-реологическим показателям составлена математическая модель аддитивного взаимодействия компонентов в смеси.
Факторное пространство эксперимента представляло собой декартово произведение двух областей факторов: концентрацией ксантановой (Xan-than Gum) 0.1-0.3% (X1) и гуаровой (Гуамин HV) 0.1-0.3% (X2) смол. В том случае, если влияние основных реагентов на технологические параметры Yi суммируется без учета их взаимодействия, то имеет место аддитивность факторов. Для получения аддитивной модели было рассмотрено влияние каждого из факторов при минимальном значении другого:
Yi(X1, X2) = Yi(X1, X2min) +
+Yi(X1min, X2) - Yi(X1min, X2min) (3),
Таблица 1
гуаровой и ксантановой смол
№ опыта Гуар, % Ксантан, % УВ, с n(p) n(a) ВНСС, сПз
1 0 0 14.5 1.000 1.000 0
2 0 0.1 1б 0.848 0.429 100
3 0 0.2 18 0.585 0.33б 1б80
4 0 0.3 21 0.404 0.313 7858
5 0.1 0 17 0.7бб 0.555 5
б 0.2 0 20 0.б0б 0.395 32
7 0.3 0 25 0.521 0.357 400
8 0.1 0.1 20 0.б4б 0.377 200
9 0.2 0.1 27 0.399 0.3б3 1800
10 0.3 0.1 38 0.382 0.295 4б99
11 0.1 0.2 24 0.503 0.288 4119
12 0.2 0.2 35 0.379 0.280 9898
13 0.3 0.2 53.5 0.322 0.238 1809б
14 0.1 0.3 28.5 0.401 0.220 12797
15 0.2 0.3 41 0.37б 0.214 21195
1б 0.3 0.3 90 0.319 0.209 27994
Таблица 2
Расчетные значения по аддитивной модели и эффекты взаимодействия между факторами
№ опыта YyB Yn(p) Yn(a) YBHCC .% £ А А n(p), % А n(a), % А ВНСС, %
1...7 - - - - - - - -
8 20.0 0.646 0.377 200 0.0 0.0 0.0 0.0
9 27.0 0.399 0.363 1800 0.0 0.0 0.0 0.0
10 38.0 0.382 0.295 4699 0.0 0.0 0.0 0.0
11 24.0 0.502 0.288 4119 0.0 0.0 0.0 0.0
12 31.0 0.255 0.274 5719 ll.4 32.? l.9 42.2
13 42.0 0.238 0.206 8618 2l.5 26.l l3.5 52.4
14 28.5 0.401 0.220 12797 0.0 0.0 0.0 0.0
15 35.5 0.153 0.207 14397 l3.4 59.3 З.б 32.l
16 46.5 0.136 0.138 17296 4S.3 5?.4 33.9 3S.2
где У;(ХЬ Х2шш), УКХщп, Х2) - регрессионные функции, полученные по опытам 8, 9, 10 и 8, 11, 14 соответственно.
По расчетным значениям У!(Х1, Х2) и фактическим данным определено наличие положительного или отрицательного эффекта взаимодействия между факторами АУ; (табл. 2).
Экспериментальные данные и результаты расчетов показывают, что при взаимодействии ксанта-нового и гуарового биополимеров наблюдается устойчивая тенденция к повышению значений структурно-реологических показателей по сравнению с аддитивной моделью. Скорее всего, усиление реологических свойств гуарового раствора при приготовлении сухой смеси с ксантаном связано с образованием водородных связей не только посредством гидроксильных групп, но и ацетатных и пируватных группировок. Существенное влияние на вязкость растворов оказывают макромолекулы полисахаридов, свернутые в спираль. Вполне вероятно, что обсуждаемые выше водородные связи также способствуют свертыванию макромолекул ксантановой или гуаровой камеди в спирали.
Несмотря на то, что в смеси исследуемые компоненты показывают более высокие значения п(р) и п(а), наблюдаемый эффект усиления вязкостных свойств, в том числе и при низких скоростях сдвига, положительно влияет на транспортирующую способность бурового раствора в горизонтальных и субгоризонтальных участках скважины.
Таким образом, с учетом эффектов парных взаимодействий возможно получение относительно недорогой смеси биополимеров, обладающей лучшим комплексом показателей свойств по сравнению с однокомпонентным раствором полисахарида. В целом, применение в составе бурового раствора композиций сухих смесей химических реагентов, проявляющих синергизм, позволяет повысить технико-экономическую эффективность бурения нефтяных и газовых скважин.
ЛИТЕРАТУРА
1. Мищенко И. Т., Кондратюк А. Т. Особенности разработки нефтяных месторождений с трудноизвлекаемыми запасами. М.: Нефть и газ, 1996. 190 с.
2. Кукин В. В., Соляков Ю. В. Применение водорастворимых полимеров для повышения нефтеотдачи пластов. М.: ВНИИОЭНГ, 1982. 44 с.
3. Шевцов И. А., Кабо В. Я., Румянцева Е. А., Досов А. Н. Новые технологии применения полимерных реагентов в добыче нефти / Тез. докл. Состояние и перспективы работ по повышению нефтеотдачи пластов. ОАО НК «ЛУКОЙЛ». 1998. С. 40-43.
4. Толстых Л. И., Голубева И. А. Химические реагенты для идентификации добычи нефти. Ч. 1. Полимеры для повышения нефтеотдачи. М.: РГУ нефти и газа, 1993. 32 с.
5. Рязанов Я. А. Энциклопедия по буровым растворам. Оренбург: Летопись, 2005. 664 с.
6. Грей Дж. Р., Дарли Г. С. Г. Состав и свойства буровых агентов (промывочных жидкостей). М.: Недра, 1985. 509 с.
7. Соболев К. А. Исследование биополимеров в качестве реагентов для нефтедобычи: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, 2005. 196 с.
8. Роджерс В. Ф. Промывочные жидкости для бурения нефтяных скважин. М.: ГОСТОПТЕХИЗДАТ, 1996. 399с.
Поступила в редакцию 24.09.2012 г. После доработки - 21.01.2013 г.
