CC BY
8УДК 622.24.053.6
А.Я. Соловьев, к.т.н., доцент, e-mail: [email protected]; Ф.А. Агзамов, д.т.н., профессор, e-mail: [email protected]; С.А. Букин, кафедра «Бурение нефтяных и газовых скважин»,
ГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»
МИЦЕЛЛЯРНЫЕ ДИСПЕРСИИ ИОНОФОРОВ - КОМПЛЕКСНОЕ РЕШЕНИЕ ДЛЯ ТЕХНОЛОГИЙ ПРОМЫВКИ ВЫСОКОМИНЕРАЛИЗОВАННЫМИ БИОПОЛИМЕРНЫМИ РАСТВОРАМИ
В статье рассматриваются актуальные проблемы, возникающие в связи с применением технологий промывки скважин биополи-мерными буровыми растворами, проанализирован опыт их решения применительно к условиям ОАО «Башнефть-Бурение». В свете выявленных проблем и поставленных задач показаны возможности использования и методические аспекты исследования свойств мицеллярных дисперсий ионофоров как комплексных модификаторов биополимерных буровых растворов. Разобраны механизмы работы таких модификаторов и приведены результаты их испытаний в сравнении с уже применяющимися реагентами. Показана возможность получения высококачественной промывочной системы на основе пластовой воды, биополи-мерного загустителя, полисахаридного понизителя фильтрации и адаптивного лубриканта.
Современный уровень технологии промывки скважин - это биополимерные растворы, обеспечивающие качественное вскрытие продуктивных пластов и минимум проблем при бурении. Примером такого раствора является биополи-мер-полисахаридный минерализованный буровой раствор без твердой фазы (БПР), применяемый при бурении скважин на площадях ОАО «Башнефть-Бу-рение». Биополимер-полисахаридные растворы без твердой фазы, к числу которых принадлежит БПР, относятся к высококачественным, и считается, что вопросы снижения прихватоопасности и повышения смазочной способности применительно к ним не актуальны. Однако наши исследования показали обратное. В частности, из рисунка 1а следует, что коэффициент липкости базового состава БПР, включающего только полимеры, выходит на предельный уровень, равный 0,475, соответ-
ствующий значению этого коэффициента для низкокачественной 20%-ной суспензии куганакского глинопорошка [1], применяемой на скважинах ОАО «Башнефть-Бурение» для бурения под кондуктор.
Положительной стороной БПР является относительно низкий коэффициент динамического трения в системе «сталь - сталь» (рис. 1б), который в 2,4 раза ниже в сравнении с упомянутой глинистой суспензией. Однако обработка этой суспензии смазочной добавкой обеспечивает кратное превосходство перед БПР по показателям прихватоопасности при одинаковых триботехнических свойствах [1]. Поскольку БПР в 2,5 раза дороже полимергли-нистого раствора, его использование оправдывалось только при первичном вскрытии продуктивных пластов и требовало значительных затрат на смену раствора. При этом неспособность БПР
к длительному хранению, обусловленная процессами биодеградации, ограничивала возможности его многократного использования на нескольких скважинах. Положение усугублялось длительными сроками строительства: диапазон продолжительности бурения скважины глубиной 2500 м составляет 60-80 суток, что превышает период сохранения у БПР оптимальных реологических параметров. Поэтому актуальность приобрели технологические решения, направленные на повышение качества БПР, обеспечивающие его эффективное использование при бурении всех интервалов скважины после выхода из-под кондуктора.
Решение данной задачи, ныне применяемое на скважинах ОАО «Башнефть-Бурение», обеспечило использование в составе БПР бактерицида СОНЦИД. Как показано на рисунке 1, обработка БПР 0,5% этого реагента вызывает
Таблица. Влияние реагентов на общетехнологические свойства БПР
Исследуемый раствор Плотность, г/см3 Относительное изменение плотности при перемешивании, % Условная вязкость 200/100, с Изменение УВ относительно базового раствора, %
начальная после перемешивания
Базовый раствор (Б)* 1,176 0,658 -44,03 6,47 -
Б+0,5% С0НЦИД-8102 1,167 0,976 -16,37 6,47 0,00
Б+0,5% АСОЛ-П 1,165 1,057 -9,25 6,97 7,73
Рис. 1. Противоприхватные (а) и триботехнические (б) свойства БПР, по данным исследований на КТК-2 и Lubricity Tester FANN M21200
300
250
200
“ 150
¥
Г
100
50
О
— ■ ■ —
1 И с еле ОБ дуемый рас АЗА (Б) +1}.5%АСОЛ- +0.5%СОНЦ твор: П ад-еюг
1 □ Б ¿Е
-А .
/
200
0) 1D00 900 BQ0 700 “ 600 500 400 300 200 100 0
с
2
1
ё
400
600
800
200
1
{) 1
Иссл едуемыи р, sctbo|>:
О БАЗА (Б) — □ Б +0.5%АСОЛ-П дБ+о.5%сонцид-8юг 1 *
400
600
еоо
Время с момента затворен и я полимеров, час
Время с момента зэтворения пол им и ров. час
Рис. 2. Влияние реагентов на эффективную вязкость БПР на правой (а) и левой (б) границах зоны скольжения
Скорость сдвига, с' Рис. 3. Реологические кривые БПР в области начала течения
снижение предельного коэффициента липкости относительно базового раствора на 91%, а показатель эффективности смазочного действия, рассчитываемый по снижению динамического коэффициента трения, равен 42%. Как результат, коэффициенты трения, используемые при определении сопротивлений движению колонн в скважине, для модифицированного БПР не превышают 0,1, что ускоряет СПО, уменьшает скачки нагрузки на долото и способствует точному управлению траекторией скважины. Кроме того, обработка данным бактерицидом снижает вспениваемость БПР, данные о которой приведены в таблице.
В то же время положительное влияние СОНЦИД-8102 на те свойства БПР, которые более всего нуждаются в контроле и активном управлении, отсутствует. В первую очередь это относится к эффективной вязкости при низких скоростях сдвига - основного критерия оценки несущей способности раствора [2], на которой прежде всего отражается деградация биополимера. Соответственно, наблюдения за изменением эффективной вязкости при низких скоростях сдвига во времени с момента приготовления БПР в принципе позволяют оценить динамику биодеструкции раствора. Результаты этих наблюдений, показанные на рисунке 2, доказывают неработоспособность бактерицида СОНЦИД, так как
на соответствующей кривой имеется участок снижения эффективной вязкости, свидетельствующий о протекании деструктивных процессов.
При обработке БПР этим бактерицидом характер зависимостей эффективной вязкости аналогичен базовому раствору: до 10 суток хранения наблюдается ее рост, а после - снижение. При этом одинаковый результат фиксируется как при скорости сдвига 0,5 с-1, так и при ее значении 3 с-1. Разница в том, что в первом случае вязкость раствора, обработанного бактерицидом, меньше вязкости базового раствора, а во втором - больше, что объясняется процессами скольжения, возникающими под влиянием СОНЦИДа. Скольжение обусловлено образованием на поверхности измерительных элементов вискозиметра, а также возможно и в объеме раствора граничных пленок смазки со структурно-механическими и реологическими параметрами ниже,чем у обрабатываемого раствора. Поэтому на начальном этапе реометрии, когда реализуются достаточно низкие частоты вращения, сдвиг в рабочем зазоре вискозиметра локализуется в основном в тонких смазочных пленках, где его скорость на 1-2 порядка превышает расчетную для всей величины зазора. Этому на реологических кривых соответствует нелинейный участок скольжения, показанный на рисунке 3. По мере нарастания частоты враще-
ния измерительного цилиндра вискозиметра фактическая скорость сдвига в смазочных пленках достигает критической, и происходит перестройка супрамолекулярной структуры, сопровождающаяся резким загущением. Момент перестройки хорошо заметен по скачкам вязкости на реологических кривых, величина которых позволяет оценить динамику загущения граничных слоев. Характерно, что у базового раствора, не содержащего компонентов, способных к образованию смазочных слоев, скачки вязкости отсутствуют, что доказывает релаксационную природу возникновения пиков на реологических кривых, соответствующих образцам БПР, обработанным специальными реагентами. В пользу того же заключения свидетельствует дробность пиков с чередованием процессов загущения и разжижения, объясняющаяся периодическим возрастанием критической скорости сдвига при очередном загущении выше текущей, вследствие чего запускается обратный процесс релаксационного разжижения, вновь сменяющийся загущением при ее снижении ниже критической. В конце концов супрамолекулярная структура переходит в квазистационарное состояние, соответствующее максимальной изотропности, при котором скорость сдвига в зазоре вискозиметра перестает влиять на параметры реологической модели. Количество циклов «загуще-
ние - разжижение» до момента перехода в квазистационарное состояние обратно пропорционально времени релаксации супрамолекулярной структуры, образующейся в граничном слое. До того как скорость сдвига первый раз достигла критической, супрамолеку-лярная структура находится в противоположном квазистационарном состоянии, соответствующем максимальной анизотропности. В рамках предлагаемой схемы интерпретации реологической кривой снижение эффективной вязкости БПР, обработанного бактерицидом СОНЦИД-8102, ниже эффективной вязкости базового раствора на участке скольжения является лишь следствием образования граничных смазочных слоев и не может быть интерпретировано как снижение несущей способности раствора, так как не отражает его объемных свойств. В этой связи обоснованно в качестве критерия несущей способности раствора использовать его эффективную вязкость после начала перестройки супрамолекулярной структуры в граничном слое, что при имеющейся динамике релаксационных процессов соответствует скорости сдвига 3 с-1. Таким образом, основываясь на данных рисунка 2б, приходим к выводу о возрастании несущей способности БПР при обработке бактерицидом на 23,6%. Положительное влияние бактерицида на несущую способность раствора, хотя и сохраняется в течение изученного периода, однако, как отмечено выше, не меняет общей тенденции эффективной вязкости на снижение во времени, что говорит о неэффективности реагента СОНЦИД-8102. По этой причине были проведены исследования по поиску более эффективных комплексных реагентов, не только подавляющих пено-образование, улучшающих смазочные и реологические свойства БПР, но и исключающих снижение эффективной вязкости при низких скоростях сдвига, по крайней мере на время бурения.
В качестве такого реагента нами предложен АСОЛ-П - адаптивный синтетический олеофильный лубрикант, исследовавшийся ранее применительно к пресным глинистым суспензиям и полимерглинистым растворам в качестве смазочной добавки [1, 3]. Данный реагент представляет собой
изотропный мицеллярный раствор в углеводороде специально синтезированных супермолекул дискотического строения, представляющих собой тек-тоны, самоорганизующиеся в водной среде по механизму хелатирования в 3D-координационный полимер при участии жестких катионов щелочных металлов. Конечный результат самосборки - это лиофильная инвертно-ми-целлярная дисперсия (ИМД) с эластичными глобулами эллипсоидной формы, строение и схема образования которых приведены в работе [4]. Лиофильность ИМД обуславливает образование дискретной микроэмульсии в виде капель обратной эмульсии в буровом растворе при добавке в него АСОЛ-П в количестве 0,2-0,5%, оптимальном для повышения смазочной способности. В пресной глинистой суспензии источником ионов, необходимых для самосборки координационного полимера, служат катионы обменного комплекса глин,а в биополимер-полисахаридном растворе эту функцию с успехом может выполнять соль, присутствующая в пластовой воде, используемой для получения БПР. Таким образом, принципиальных отличий между работой АСОЛ-П в среде глинистых и минерализованных безглинистых растворов нет, а значит, можно предположить сохранение эффективности этого лу-бриканта при переходе в среду БПР. Биоцидное действие АСОЛ-П в среде БПР также возможно, так как супермолекулы лубриканта ввиду своей способности образовывать эндоли-пофильные комплексы с катионами относятся к ионофорам, известными представителями которых являются такие антибиотики, как валиномицин и нонактин. Действие этих антибиотиков основано на способности нарушать трансмембранный ионный баланс бактерий путем пассивного катионного переноса вдоль концентрационного градиента, осуществляемого двумя основными механизмами [5]: транспортом липофильным переносчиком или же организацией гидрофильного канала в клеточной мембране, контролирующего проход катионов. Первый механизм предполагает дегидратацию катиона при связывании с ионофором, что обычно имеет место в случае предорганизованных хозяев,
таких как коранды и криптанды. При использовании подандов, что имеет место в случае АСОЛ-П, катионы частично сохраняют свою гидратную оболочку, так как энергия связывания затрачивается на изменение конформации полиэфирных цепей, а оставшейся части недостаточно для удаления молекул воды. По этой причине наиболее вероятным механизмом биоцидного действия АСОЛ-П является «канальный», предполагающий встраивание супрамолекулярных агрегатов в липо-фильные мембраны клеток. Экспериментальная проверка теоретических предположений в отношении работы АСОЛ-П в среде БПР, результаты которой отражены на рисунках 1-3 и в таблице, доказала их справедливость. В присутствии адаптивного лубриканта эффективная вязкость БПР при скорости сдвига 3 с-1 не только не снижается во времени, но и непрерывно растет, достигая 3,7-кратного превышения над эффективной вязкостью базового раствора после месяца хранения, что подтверждает биоцидное действие этого реагента.
Свойства граничных смазочных слоев, возникающих при обработке БПР адаптивным лубрикантом, согласно данным рисунка 3, значительно отличаются от таковых для бактерицида. Критическая скорость сдвига в случае АСОЛ-П в 1,75 раза меньше, чем в случае СОНЦИД-8102, что говорит о меньшей вязкости либо толщине граничного слоя, если в качестве критерия его турбулизации принять число Рейнольдса. Длина первого цикла «загущение - разжижение» по шкале скорости сдвига составляет 2,9 с-1 для АСОЛ-П и 1,7 с-1 для СОНЦИД-8102, т.е. время релаксации в первом случае в 1,7 раза больше, чем во втором. Эти различия закономерно отражаются на поведении коэффициентов трения и липкости (рис. 1). В процессе динамического трения микрокапли ИМД затягиваются в контактную зону, где в условиях кратковременного, но интенсивного сдвига загущаются на некоторую величину, зависящую от времени релаксации и толщины смазочного слоя. За счет большего времени релаксации загущение смазочного слоя, образуемого АСОЛ-П в контактной зоне, меньше, чем смазочного слоя, образуемого в ней СОНЦИД-8102, чему соответствует мень-
Скорость сдвига, с'
Рис. 4. Сравнение реологических кривых в области начала течения, полученных для различных вариантов БПР
Рис. 5. Противоприхватные (а) и триботехнические (б) свойства различных вариантов БПР
ший угол наклона начального участка зависимости коэффициента трения. По той же причине переход в изотропное квазистационарное состояние, соответствующее постоянному коэффициенту трения, происходит в случае СОНЦИД-8102 быстрее и достигается уже при удельной нагрузке 2 МПа, тогда как для АСОЛ-П переходные процессы продолжаются вплоть до удельной нагрузки 4,7 МПа. Если в испытаниях на динамическое трение регистрируется, по сути, текущая вязкость смазочного слоя в процессе релаксационного загущения из квазистационарного ани-
зотропного состояния, то в испытаниях на липкость фильтрационной корки регистрируется текущее предельное напряжение сдвига смазочного слоя в процессе релаксационного разжижения. Поэтому липкость фильтрационной корки фактически определяется соотношением скоростей загущения/ разжижения смазочного слоя и критической скоростью сдвига. Постоянство коэффициента липкости для БПР, обработанного бактерицидом,свидетельствует о том, что скорость сдвига в смазочном слое при страгивании цилиндра КТК-2 меньше критической.
Для БПР, обработанного АСОЛ-П, наблюдается рост коэффициента липкости, говорящий о превышении фактической скорости сдвига в смазочном слое над критической и значительно большей скорости релаксационного загущения в сравнении со скоростью релаксационного разжижения, что находит свое подтверждение в местоположении релаксационных пиков эффективной вязкости и различии углов наклона их крыльев на рисунке 3. В качестве дополнительной иллюстрации влияния критической скорости сдвига и времени релаксации на результаты измерений
коэффициентов липкости и трения приведем данные испытаний АСОЛ-П в другом биополимер-полисахаридном растворе (БПР-Ф). Результаты реоме-трии БПР-Ф, обработанного АСОЛ-П, представлены на рисунке 4. Сравнение местоположений и интенсивностей релаксационных пиков показывает, что, во-первых, критическая скорость сдвига для БПР-Ф увеличилась до значения, имеющегося у БПР, обработанного СОНЦИД-8102, и, во-вторых, интенсивность релаксационного пика заметно уменьшилась, а его длина по оси скорости сдвига возросла до 4 с-1, т.е. время релаксации возросло на треть. Если предыдущие заключения верны, то при испытаниях БПР-Ф на липкость фильтрационной корки должно наблюдаться либо снижение коэффициента липкости во времени контакта, либо он должен оставаться постоянным, так как фактическая скорость сдвига в смазочной пленке будет меньше критической, как в случае БПР, обработанного СОНЦИД-8102. Увеличение времени релаксации должно также отразиться на поведении коэффициента трения, в виде возрастания удельной нагрузки, при которой происходит стабилизация коэффициента трения.
Результаты соответствующих испытаний, приведенные на рисунке 5, подтверждают высказанные предположения. Кинетика липкости фильтрационной корки для БПР-Ф аналогична имеющейся у БПР, обработанного СОНЦИД-8102, а стабилизации коэффициента трения в опытах с БПР-Ф хотя и не было достигнуто, но очевидно, что соответствующая удельная нагрузка возросла. Таким образом,взаимосвязь между релаксационными пиками на реологических кривых и кинетикой коэффициентов липкости и трения подтверждается. Отсюда следует, что результаты ис-
пытаний БПР на КТК-2 по стандартной методике лишены объективности, так как при принудительном и непрерывном сдвиге цилиндра относительно фильтрационной корки со скоростями больше критических, как это имеет место при СПО в скважине, коэффициенты липкости в зависимости от времени теоретически должны стремиться к своим предельным значениям,аналогично тому, как это делают коэффициенты динамического трения на рисунке 1б в зависимости от удельной нагрузки. Для проверки этой гипотезы были проведены дополнительные эксперименты по страгиванию цилиндра КТК-2 в нестандартном режиме, предусматривающем после первого измерения через 5 минут контакта принудительное многократное перемещение цилиндра относительно корки вдоль его оси, а затем повторный замер коэффициента липкости. Результаты этих экспериментов не оставили сомнений в правильности наших рассуждений: углы страгивания после принудительного сдвига цилиндра с высокими скоростями многократно возросли - с 3-4 градусов при первом замере до 8-14 градусов. При этом относительные изменения предельных коэффициентов липкости оказались близки к относительным изменениям предельных коэффициентов трения. В этой связи можно рекомендовать в качестве объективной характеристики смазочных материалов,используемых в среде БПР, рассматривать только предельный коэффициент динамического трения, а коэффициент липкости рассматривать только как вспомогательную характеристику, отражающую лишь состояние смазочных слоев при низкой скорости деформации. Сравнение рисунке 1а с рис. 1б показывает, что возможные коэффициенты трения в стволе скважины при таком подходе
прогнозируются «в запас», так как коэффициенты липкости для растворов, обработанных лубрикантом и бактерицидом, меньше коэффициентов трения для тех же растворов, а предельные коэффициенты трения, как правило, превышают текущие. Более того, имеющиеся значения коэффициентов липкости во всех рассмотренных случаях можно получить экстраполяцией зависимостей коэффициентов динамического трения на нулевое значение удельной нагрузки, что подтверждает необъективность данных измерений на КТК-2, так как реальные удельные нагрузки, действующие в контакте элементов бурильной колонны со стенками скважины, составляют от 2 до 7 МПа, что согласуется с ее значением 4,2 МПа, принятым в стандарте API для испытаний на смазывающую способность. С учетом сказанного, противоприхватные свойства бактерицида С0НЦИД-8102, оцененные коэффициентом липкости на рисунке 1а, становятся весьма сомнительными, так как на рисунке 5б видно кратное возрастание коэффициента трения при увеличении удельной нагрузки всего до 1,7 МПа, при которой коэффициент трения БПР, обработанного АСОЛ-П, в 1,37 раза меньше. Таким образом, адаптивный лубрикант АСОЛ-П эффективнее бактерицида С0НЦИД-8102 по всем показателям качества БПР. Его применение в составе данного раствора позволяет полностью решить проблему биодеградации полимеров во времени, улучшить реологические и смазочные свойства раствора, а также снизить вспениваемость до технологически безопасного уровня, что решает все проблемы, связанные с раствором на уровне бурения, и позволяет успешно применять его на всем протяжении ствола скважины после выхода из-под кондуктора.
Литература:
1. Соловьев А.Я. Разработка адаптивных смазочных добавок для буровых растворов на водной основе// «Нефтегазовое дело», 2007, № 7. - Т. 5. - С. 52-57.
2. Murphy В., Rowden M., Berkovsky L. Proactive fluids management makes tough directional well possible // Word oil, 1999, October. - Р. 61-62, 64, 66-68.
3. Соловьев А.Я. Буровые смазочные добавки - мифы и реальность// «Территория «НЕФТЕГАЗ», 2009, № 5-6. - С. 14-21,18-22.
4. Соловьев А.Я., Рамазанов А.Р. Функционально переключаемые технологические жидкости для бурения и ремонта скважин // «Бурение и нефть», 2010, № 10. - С. 32-34.
5. Kaim V. and Schwederski B. Bioinorganic Chemistry: Inorganic elements in the chemistry of life. - Chichester: J.Wiley, 1994. Ключевые слова: биополимер, бактерицид, лубрикант, коэффициент трения, ионофор, мицеллярная дисперсия.
