CC BY
388
УДК 664.2: 622.24
МОДИФИЦИРОВАННЫЕ КРАХМАЛОСОДЕРЖАЩИЕ ПРОДУКТЫ ДЛЯ БУРЕНИЯ
К.Г. ПАСКАРУ, зав. лабораторией Институт «БелНИПИнефть» РУП «ПО «Беларуснефть» В.В. ЛИТВЯК, кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник
В.В. МОСКВА, кандидат технических наук, старший научный сотрудник
НПЦ НАН Беларуси по продовольствию Н.Р. АНДРЕЕВ, чл.-корр. РАСХН, директор В.Г. КОСТЕНКО, кандидат технических наук, зав. лабораторией
ВНИИ крахмалопродуктов Россельхозакадемии Г.Х. ОСПАНКУЛОВА, кандидат технических наук, зав. лабораторией
ТОО «Казахский научно-исследовательский институт переработки сельскохозяйственной продукции»
E-mail: vniik@arrisp.ru
Резюме. Разработана современная технология получения крахмалсодержащего реагента для бурения на основе физической модификации (экструзии) крахмалосодержащего сырья. Сравнительные исследования его опытного образца и аналогичных реагентов (Амилор-Р12, Фито-РК) с применением ИК-спектроскопии, рентгеновской дифрактометрии и сканирующей электронной микроскопии позволили установить, что они схожи по химическому составу, не имеют кристаллических структур и не содержат целых крахмальных гранул. По физико-химическим свойствам и технологическим характеристикам разработанный крахмалосодержащий реагент для бурения не уступает применяемым аналогам: условная вязкость модельного соленасыщенного глинистого раствора с концентрацией реагента 15 кг/ м3 составляет 100 с; фильтрация модельного соленасыщенного глинистого раствора (0,1 МПа) с концентрацией реагента 15 кг/ м3 - 5 см3/30 мин.; фильтрация (0,1 МПа) биополимерного модельного раствора с концентрацией реагента 5 кг/м3 - 4,8 см3/30 мин.; динамическая вязкость водного раствора реагента с массовой долей 5%, 600об/мин OFITE - 11 Па ■ с. Реагент представляет собой однородный сыпучий порошкообразный материал белого цвета, растворяющийся с образованием геля, как в пресной воде, так и в насыщение водном растворе хлористого натрия. Он относится к качественным высоковязким полимерным крахмальным реагентам, эффективен в составе безглинистых систем, устойчив в высокоминерализованной среде и позволяет получить буровой раствор схорошими реологические характеристиками и стабильными показателями фильтрации. При этом повышенная условная вязкость его растворов позволяет сократить расход реагента и дорогостоящей ксантановой камеди.
Ключевые слова: модифицированный крахмал, крахмалсодержащие продукты, буровые растворы, стабилизация, водоудерживающая способность, растворимость.
В процессе бурения нефтяных и газовых скважин большое значение имеет регулирование свойств буровых растворов, от качества которых зависит скорость проходки и возможность достижения проектной глубины. На сегодняшний день лучшим материалом для промывочных растворов считают высокодисперсные глины. Глинистый раствор представляет собой неустойчивую систему глины в воде, в которой структурообразование регулируется изменением концентрации глины или добавлением реагентов.
При высокой минерализации глинистых растворов для снижения водоотдачи используют модифицированные крахмалы, набухающие в холодной воде. Их добавление способствует уменьшению фильтруемости глинистого раствора при наличии в нем хлоридов натрия, магния, кальция, а также дает возможность вести бурение через пустотные образования в набухающих, обваливающихся глинах и глинистых сланцах.
В нефтяной промышленности СНГ и за рубежом для стабилизации глинистых растворов широко используют картофельный, кукурузный, пшеничный и рисовый крахмал, что определяется его доступностью и сравнительно невысокой ценой в сочетании с важными физико-химическими свойствами.
Еще одно преимущество крахмального реагента заключается в том, что он растворяется во всех солевых растворах, в том числе СаС12 и МдС12 высокой концентрации. Оптимальные добавки его при первичной обработке высокоминерализованных буровых растворов 1,5.. .3,0% (на сухое вещество) [1].
Реагенты представляют собой беловатый порошок или волокнистый материал белого цвета объемной плотностью 592.704 кг/м3, легко растворимы в пресной и морской воде, а также в концентрированных рассолах. Импортные реагенты устойчивы в промысловых условиях примерно до 150 °С. Благодаря своей высокой растворимости смешиваются быстро, в течение 5.10 мин. Оптимальная концентрация варьирует в пределах 5,7.17,2 кг/м3.
На сегодняшний день в странах СНГ при ведении буровых работ наиболее часто используют российские модифицированные крахмальные реагенты Амилор-Р12 (группа компаний «Миррико») [2] и Фито-РК (ООО «НПК СПЕЦБУРТЕХНОЛОГИЯ») [3].
Амилор-Р12 - водорастворимый модифицированный крахмал, предназначенный для стабилизации и регулирования фильтрационных свойств пресных и особенно минерализованных буровых растворов, применяемых при строительстве и капитальном ремонте нефтяных и газовых скважин [2].
Фито-РК - экструзионный модифицированный крахмал, используемый при бурении нефтяных и газовых скважин, представляет собой порошок белого цвета с массовой долей влаги 4,0% и растворимостью 99,8%. Кроме того, реагент может содержать минеральную добавку в количестве 0,1...2,0% [3, 4].
Цель наших исследований - сравнить физикохимические и технологические свойства опытного образца крахмалсодержащего реагента для бурения, полученного методом экструзии и предназначенного
Рис. 1. ИК-спектры:7 - нативный картофельный крахмал; 2 - опытный образец крахмалосодержащего реагента для бурения; 3 - реагент Фито-РК; 4 - реагент Амилор-Р12.
для использования в нефтяной, газовой отраслях и геологоразведке, с имеющимися аналогами.
Условия, материалы и методы. В качестве объектов исследований использованы нативный картофельный крахмал, а также крахмалосодержащие реагенты для бурения -опытный образец, Амилор-Р12, Фито-РК.
ИК-спектроскопию проводили на спектрометре Varian 3100 FT-IR, препарировали методом прямого прессования предварительно высушенных образцов с KBr. Параметры регистрации ИК-спектров: спектральная область 4000.400 см-1, интервал дискретизации 0,5.. .1,0 см-1, количество накоплений 16.
При проведении фазового анализа использовали рентгеновский дифрактометр HZG 4A (Carl Zeiss, Jena).
Сканирующие электронные микрофотографии получали при помощи сканирующего электронного микроскопа LE01420 (Germany), металлизацию препаратов осуществляли золотом в вакуумной установке EMITECH K 550X.
Физико-химические свойства и технологические характеристики крахмалсодержащих реагентов для бурения определяли в соответствии со стандартными методиками [1, 5, 6].
Для детальной оценки опытного образца крахмалосодержащего реагента в лаборатории промывочных жидкостей Институт «БелНИПИнефть» РУП «ПО «Беларуснефть» проведены исследования технологических характеристик (плотности, фильтрации, условной и пластической вязкости, статического и динамического напряжения сдвига, рН) различных типов модельных растворов (соленасыщенный глинистый, биополимерный).
Современная технология получения крахмалсодержащего реагента для бурения разработана коллективом ученых и специалистов РУП «НПЦ НАН Беларуси по продовольствию», института «БелНИПИнефть» РУП «ПО «Беларуснефть», ВНИИ крахмалопродуктов Россельхозакадемии и Казахского научно-исследовательского института переработки сельскохозяйственной продукции. В качестве сырья для его производства пригоден крахмал картофельный по ГОСТ 7699-78 (влажность 17.20%), кукурузный по ГОСТ 7697-82 (влажность 13.16%), тапиоковый, пшеничный, мука, смеси перечисленных компонентов в различном соотношении и др.
Экструдирование можно проводить на таких двухшнековых экструдерах, как РЗ-КЭД-88, ШТАК фирмы «Апрель», PRIOtwin компании Buhler (Швейцария) и любом другом аналогичном оборудовании с дополнительной подачей воды и/или химических агентов. Предпочтительный режим: температура экструзии крахмального сырья - 140 °С, частота вращения рабочих шнеков - 70 мин-1, диаметр фильеры - 4 мм.
В своих исследованиях мы использовали опытный образец крахмалосодержащего реагента для бурения из картофельного крахмала,
10 20 30 40
Рис. 2. Рентгенограммы: 1 - нативный картофельный крахмал; 2 - опытный образец крахмалосодержащего реагента для бурения; 3 - реагент Фито-РК; 4 - реагент Амилор-Р12
выработанный на двухшнековом экструдере РЯЮМп ВСТО 62 компании ВиЫег (Швейцария).
Результаты и обсуждение. ИК-спектры свидетельствуют, что молекулярные составы опытного образца крахмалосодержащего реагента для бурения, реагентов Амилор-Р12 и Фито-РК, а также нативного картофельного крахмала схожи и представлены а-О-глюкопиранозой (рис. 1).
Дифракционные кривые (рис. 2) всех образцов крахмалосодержащих реагентов для бурения представляют собой аморфное гало, что подтверждает отсутствие кристаллических структур, а морфологический анализ (рис. 3) показал, что они не содержат целых крахмальных гранул.
Рис. 3. Сканирующие электронные микрофотографии: а - нативный картофельный крахмал; б - опытный образец крахмалосодержащего реагента для бурения; в - крахмалсодержащего реагента для бурения «Фито РК»; г - крахмалсодержащего реагента для бурения «Амилор».
83
Таблица. Технологические характеристики растворов с использованием опытного образца реагента крахмалосодержащего модифицированного для бурения
Тип и состав раствора Плот- ность, кг/м3 Услов- ная вяз- кость, с Филь- тра- ция, см3/30 мин. Статическое напряжение сдвига, мгс/см3 Пласти- ческая вяз- кость, сП Динамическое напряжение сдвига, дПа рН
Соленасыщенный палыгоскитовый модельный р-р 124 30 89 18/27 7,8
Р-р №1 + 5% ССБ + 1,5% образца крахмального реагента 124 100 5 23/32 11 84 7
Р-р №1 + 5% ССБ + 1,1% образца крахмального реагента 124 76 7,6 20/30 10 82 7
Биополимерный модельный р-р + 0,5% образца крахмального реагента 1050 28 4,8 12/25 10 74 9,1
Результаты сравнительных исследований основных физико-химических свойств и технологических характеристик крахмалсодержащих реагентов для бурения с учетом требований, предъявляемых к их качеству РУП «ПО «Белоруснефть» свидетельствуют, что опытный образец отличается повышенной условной вязкостью модельного соленасыщенного глинистого раствора с концентрацией реагента 15 кг/м - 100 см3/30 мин., что позволяет отнести его к высоковязким полимерам, значительно увеличивающим реологические характеристики бурового раствора. Это свойство служит преимуществом в некоторых случаях использования реагента, а также позволяет снизить количество его внесения в буровой раствор.
Следует отметить, что при обработке буровых растворов исследуемый образец крахмалосодержащего реагента не подвержен комкованию, однако при этом он медленно диспергируется в среде раствора. Снижение времени растворения может быть достигнуто путем измельчения.
Результаты экспериментальных исследований с использованием различных типов модельных растворов показали, что при максимальном количестве (1,5%) опытного образца реагента в соленасыщенном глинистом растворе происходит увеличение условной вязкости
при существенном снижении фильтрации (см. табл.), что способствует сокращению расхода реагента.
Уменьшение концентрации реагента в составе соленасыщенного раствора до 1,1% позволяет снизить вязкостную характеристику, при допустимом увеличении фильтрации с 5 см3/30 мин. до 7,6 см3/30 мин.
Использование образца крахмалосодержащего реагента в составе безгли-нистого раствора на основе биополимера (в количестве
0,5%) обеспечивает получение требуемых значений фильтрации и условной вязкости, соответствующих нормам. Добавление в био-полимерный раствор крахмалосодержащего реагента, образующего вязкий клейстер, позволит снизить расход дорогостоящей ксантановой камеди.
Образец крахмального реагента устойчив в высокоминерализованной среде.
Выводы. Сравнительные исследования опытного образца крахмалосодержащего реагента для бурения и его аналогов (Амилор-Р12, Фито-РК) позволили установить, что они схожи по химическому составу, не имеют кристаллических структур и не содержат целых крахмальных гранул. По физико-химическим свойствам и технологическим характеристикам разработанный реагент не уступает применяемым аналогам.
Он относится к качественным высоковязким полимерным крахмальным соединениям, эффективен в составе безглинистых систем, устойчив в высокоминерализованной среде и позволяет получить буровой раствор с хорошими реологические характеристиками при стабильных показателях фильтрации. Повышенная условная вязкость растворов с его использованием позволяет сократить расход реагента и ксантановой камеди.
Литература.
1. Рязанов Я.А. Энциклопедия по буровым растворам. Оренбург: Издательство «Летопись», 2005. 664 с.
2. Крахмал «АМИЛОР-Р12» / Миррико [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.mirrico.ru/trading/build/index. рИр?=&Ю=1800.
3. Модифицированный крахмальный реагент для бурения нефтяных и газовых скважин «Фито-РК» / ООО «НПК СПЕЦБУР-ТЕХНОЛОГИЯ» [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.npksbt.ru.
4. Пат. 2127295 Ш, МПК7 С 09К 7/02 Реагент для буровых растворов и способ приготовления реагента для буровых растворов /Л.М. Ломова, С.Ф. Вязниковцев, В.И. Ломов, Е.В. Ломова. - № 98108093/03; заявл. 06.05.1998; опубл. 10.03.l999.
5. Методика приготовления различных типов модельных растворов (утвержденная Зам. директора БелНИПИнефть 9.04.2009 г.). Гомель, 2009.
6. Учебник по буровым растворам для инженеров (компании М-1 Дриллинг Флюидз). 1991. 440 с.
THE MODIFIED STARCH CONTAINING PRODUCTS FOR OIL DRILLING K.G. Paskaru, V.V. Litvjak, V.V. Moskva, Z.V. Lovkis, N.N. Petjushev, N.R. Andreev, V.G. Kostenko, G.Ch.Ospankulova
Summary. The Employees of the Scientific-Practical Center for Foodstuffs National Academy of Sciences of Belarus, RUE, and Belarusian Oil Research and Design Institute BelNIPIneft with the assistance of the employees from All-Russian Research Institute for Starch Products and Kazakh Research Institute of Processing of Agricultural Products developed modern technology of receiving starch-containing reagent for drilling on the base of physical modification (extrusion) of starch-containing materials. Comparative researches of starch containing development type reagent for drilling and similar reagents (Amilor-R12, Phyto-RK) using infrared spectroscopy, X-ray diffraction and electron scanning microscopy determined that they are similar in chemical composition, e.g. both of them do not have crystal structures and do not contain whole starch granules. Physicochemical and technological characteristics of starch reagent for drilling is not inferior to the currently applicable peers: relative viscosity of model salt solution, with concentration of the reagent of 15 kg/m3 is 100 s; filtering of model salt solution (0,1 MPa ) with concentration of the reagent of 15 kg/m3 is 5 sm3/30 min; filtration (0,1 MPa ) of biopolymer model solution with concentration of the reagent of 5 kg/m3 is 4,8 sm3/30 min dynamic viscosity of the water reagent solution with a mass fraction of 5%, 600 rev/min OFITE is 11 Pas. The developed reagent for drilling refers to the high viscosity starch polymeric reagents, and has comprising effective clayless systems stable in highly mineralized environment and provides drilling fluid with good rheological characteristics, if filtration indicators are stable. At the same time increased relative viscosity solutions using developed starch reagent for drilling is observed. Keywords: modified starch, starch-containing products, drilling muds, stabilization, solubility, viscosity, filtration.
