CC BY
59GEOLOGICAL AND MINERALOGICAL SCIENCES
ОБЗОР ПО МАТЕРИАЛАМ ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ПОГЛОЩЕНИЯ БУРОВЫХ
РАСТВОРОВ
Аль-Ганими Муртада Адил Джасим
студент кафедры бурения нефтяных и газовых скважин
группа БНГС21М
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
OVERVIEW ON MATERIALS FOR LOSS CIRCULATION PREVENTION OF DRILLING FLUIDS
Al-Ghanimi Murtada Adil
State National Research Polytechnic University of Perm
АННОТАЦИЯ
В процессе бурения специалисты часто сталкиваются с необходимостью усиления скважины, когда необходимо преодолеть неустойчивые рыхлые грунты и потери циркуляции. Эти условия часто замедляют бурение, увеличивая время завершения проекта и, таким образом, увеличивая стоимость бурения. Для стабилизации ствола скважины используется ряд материалов, которые благодаря своим свойствам способны положительно влиять на устойчивость грунта. Полимер для стабилизации скважин - это особый тип материала, состоящий из так называемых макромолекул - высокомолекулярных соединений мономерных звеньев. В зависимости от конкретного состава выраженность этих свойств может варьироваться. Этот обзор иллюстрирует различные применения усиления ствола скважины и суммирует различные практические методы, которые использовались для предотвращения и контроля циркуляции потерь. Этот обзор посвящен различным способам использования полимерных систем для контроля материалов, поглощения буровых растворов. Кроме того, обзор посвящен использованию наноматериалов и оценке использования полимерного геля. Также в статье рассмотрена анализ выбора реагента для предотвращения поглощения бурового раствора на Румайла месторождении.
ABSTRACT
In the process of drilling, specialists are often faced with the need to reinforce a well when it is necessary to overcome unstable loose soils and loss of circulation. These conditions often slow down drilling, increasing project completion time and thus increasing the cost of drilling. A number of materials are used to stabilize the wellbore, which, due to their properties, are capable of positively affecting the stability of the soil. Well stabilization polymer is a special type of material composed of so-called macromolecules - high molecular weight compounds of monomer units. Depending on the specific composition, the severity of these properties can vary. This overview illustrates the various applications of wellbore reinforcement and summarizes the various practices that have been used to prevent and control the circulation of losses. This review focuses on the various uses of polymer systems for material control, lost circulation of drilling fluids. In addition, the review is devoted to the use of nanomaterials and the assessment of the use of polymer gel. The article also discusses the analysis of the choice of a reagent to prevent lost circulation of drilling mud in the Rumaila field.
Ключевые слова: Укрепление скважин, поглощение бурового раствора, бурение, буровые растворы, полимерные системы.
Keywords: Well strengthening, lost circulation, drilling, drilling fluids, polymer systems.
Поглощение - это процесс частичной или полной фильтрации промывочной жидкости в пласт. При поглощении объём циркулирующего раствора уменьшается, и снижается его количество приёмных емкостях циркуляционной системы. Потеря циркуляции бурового раствора объясняется превышением давления столба жидкости в скважине над пластовым давлением (чем больше эта разница, тем интенсивнее поглощение), а также природой цели потери циркуляции. Реологические свойства являются одним из наиболее важных аспектов при разработке бурового раствора и его эксплуатационных характеристик для предотвращения и устранения потери циркуляции. Добавление в буровой раствор наночастиц и природных полимеров, таких как крахмал, является одним из способов изменения
реологических свойств, один из основных механизмов предотвращения потери жидкости показан на рисунке 1 [5-6]. Для исследования и улучшения поведения бурового раствора при различных напряжениях требуются различные реологические модели. Модели реализуются от части к части во всей системе. Таким образом, использование одной модели не подходит для изучения реологических свойств бурового раствора при различных напряжениях и условиях в скважине [3,7]. Самый известный метод предотвращения потери циркуляции -использование крахмала, с помощью крахмала снижается фильтрация ствола скважины, что предотвращает попадание солей и других веществ в перекачиваемый продукт. Кроме того, крахмал, подобный карбоксиметилу калия, является экологически
чистым сырьем, довольно дешевым, что делает рис, кукуруза, рожь, пшеница, маниока и картофель продукт незаменимым элементом для буровых рас- [2]. творов. Используется крахмал, произведенный или
Рис.1. Основные механизмы предотвращения поглощения [1]
Механизм действия предотвращения поглоще- Таким образом, было продемонстрировано,
ния что микросферы могут быть использованы для
Снижение поглощения БР достигается за счет оценки апертуры трещины путем введения образца
того, что пористая порода каким-то образом заку- полидисперсных микросфер [4]. порена. Базовые механизмы представлены в таблице 1.
Типы материалов Механизм
Химическая затирка В пласт вводится смола, которая необратимо затвердевает; подходит для больших пещер
Микроскопические частицы Макромолекулы образуют гелевую прослойку пористого образования.
Макроскопические частицы Подвешенная резка может закупорить поры, в дополнение к этому снижается проницаемость.
Рис.2. Классификация методов предотвращения поглощения
Демонстрирует краткое изложение методов лечения потери кровообращения. Наконец, для того, чтобы правильно выбрать и разработать оптимальную схему лечения и борьбы с потерей распространения, имеющиеся данные должны быть обработаны, проанализированы и использованы. Требуемая информация включает величину потерь, тип механизма потерь, количественные данные о трещинах и порах, такие как раскрытие трещин, расстояние и размер пор; геологические условия (продуктивная зона, сланцы, рыхлый песок, гравий и т. д.), а для глубоководных пластов окно плотности
Обзор последних научных работ по НЧ
бурового раствора является критическим параметром, который необходимо определить, классификация методов борьбы с поглощением циркуляции показана на рисунке 2 [4,5].
Механизм наночастиц как закупоривание для предотвращения поглощения
Важнейшее свойство бурового раствора - контроль фильтрации. Бурение истощенных, глубоководных и искривленных пластов приводит к регулярным огромным потерям бурового раствора и проникновению жидкости. Механизм засорения на-ночастицами потери циркуляции показан на рисунке 3.
Типы НЧ Типы жидкостей Модифицированные свойства
Оксид меди Оксид магния Оксид алюминия Вода Улучшение реологических свойств Улучшение фильтрационных характеристик
СОТ- СОТ-ро1ушсг папосошро8Йс Вода Улучшение реологических свойств Повышение устойчивости ствола скважины Улучшение фильтрационных характеристик при бурении в условиях высоких температурах
Оксид железа Вода Улучшение фильтрационных характеристик при высокой температуре
Диоксид кремния Вода Улучшение реологических свойств Улучшение фильтрационных характеристик
Нанополимер Вода Улучшение фильтрационных характеристик Применение для укрепления ствола скважины
Оксид титан Вода Улучшение реологических свойств Улучшение теплопроводности и электропроводности Улучшение фильтрационных характеристик
Титанат цинка Вода Улучшение реологических свойств Повышение термической стабильности Улучшение фильтрационных характеристик
Рис.3. Механизм наночастиц как закупоривания для предотвращения поглощения
Наночастицы, добавленные в буровой раствор, образуют фильтровальную корку минимальной толщины, поскольку объем фильтрата, поступающего в пласт, очень мал из-за низкой проницаемости и низкой пористости. Более того, из-за относительно небольшого размера наночастицы, она может проникать в поры формации и предотвращать проникновение жидкости, краткое изложение последних типов наночастиц для ЖК-дисплеев показано в таблице 2.
На месторождении Румайла В настоящее время при строительстве скважин уделяется большое внимание профилактике и ликвидации поглощений с катастрофической, полной и средней степенью интенсивности, то есть, от 30-100 м3 в час и более, немного уделяется внимание частичным поглощениям с интенсивностью 5-30 м3 в час и, на фоне этих проблем, практически никакого внимания не уделяется умеренным поглощениям малой интенсивности - до 5 м3 в час.
А, тем не менее, поглощения малой интенсивности приносят не малый экономический ущерб, за счёт вынужденного систематического пополнения объёма бурового раствора, влекущего за собой дополнительный расход химреагентов и дисперсионной среды.
На практике считается, что данную проблему можно решить за счёт скорости проходки, оперативной поставки дисперсионной среды и ввода аварийного запаса химреагентов, но экономическая сторона такого расточительного подхода к работе не учитывается.
Решение проблемы поглощений малой интенсивности
Для решения проблемы поглощений малой интенсивности были проанализированы возможные пути (способы) профилактики поглощений такой интенсивности.
Поскольку литературного спецматериала по данной проблеме практически нет, то проблему пришлось решать опытным путём, то есть непосредственно, после составления плана-проекта, при строительстве скважин.
На первом этапе были выведены теоретически мероприятия, которые по логике должны были решить данную проблему:
- увеличение вязкости фильтрата бурового раствора с одновременным снижением пластической вязкости, за счёт усиления рецептуры бурового раствора качественным структурообразователем;
- ввод в состав рецептур эффективных смазочных добавок;
- ввод в состав рецептуры бурового раствора мелкофракционных кольматанов-наполнителей комплексного действия (то есть содержащих нерастворимые и неразбухающие твёрдые частицы в смеси с набухающими частицами целлюлозного типа);
- соблюдение скоростных режимов при спуско-подъёмных операциях;
- удержание плотности бурового раствора на минимально возможном уровне.
В качестве мелкофракционных кольматанов-наполнителей комплексного действия были применены реагенты-кольматанты серии Полицелл (Цел-лотон - Ф, ФГ, Ф-1, ЦФ, ЦФГ) относящихся к группе реагентов, специально разработанных для обработки буровых растворов с целью предотвращения или устранения проблем, связанных с бурением в условиях поглощения, в частности, для ликвидации потерь бурового раствора при вскрытии высокопроницаемых горных пород, в том числе в условиях низких пластовых давлений. Они представляют собой полидисперсные композиционные растворы на основе природных материалов, вклю-
чающих в себя лигноцеллюлозные комплексы, во-донабухающие природные и синтетические полимеры и специальные неорганические добавки.
Реагенты экологически безвредны, со временем подвержены биологическому разложению.
Реагенты-кольматанты серии Полицел ЦФ в буровых растворах способствуют ускоренной глинизации истощенных песчаников и микротрещиноватых сланцев низкой и средней проницаемости в условиях низких пластовых давлений. Вследствие образования на стенках скважины плотной низкопроницаемой глинистой корки, просачивание в пласт бурового раствора или его фильтрата резко уменьшается или прекращается [8-9].
Заключение
Наночастицы для БР показали, что нанотехно-логии в последнее время стали привлекательной темой исследований, и многие исследования показали очень многообещающие результаты с точки зрения их характеристик и эффективности. На основании обзора литературы были сделаны следующие выводы: Наиболее изученными наночасти-цами, которые продемонстрировали значительное улучшение для различных применений в нефтегазовой промышленности, оказались нанокремнезем ^Ю2), за которым следует оксид алюминия (А1203), что указывает на их высокий потенциал для применения в этой области. Исследованные наночастицы показали значительное положительное влияние как на реологические, так и на фильтрационные характеристики буровых растворов, а также на улучшение термической стабильности буровых растворов. Полимерные нанокомпозиты и ионные жидкости с высокой термической стабильностью считаются перспективными ингибиторами сланцевого газа для будущего применения в бурении нефтяных и газовых пластов. Однако необходимо учитывать практическое применение ионных жидкостей, сополимеров и нанокомпозитов в качестве ингибиторов сланца в добавках к буровым растворам. Следует учитывать стоимость синтеза сополимеров и полимерных нанокомпозитов, их токсичность и анализ опасности для реальных приложений. Хотя имеется ограниченная литература о сополимерах, полимерных нанокомпозитах и ионных жидкостях в качестве ингибиторов сланца, лабораторные анализы ингибирования сланцев показали, что они являются сильным кандидатом для применения ингибиторов сланца в буровых растворах на водной основе. Таким образом, технологическим эффектом внедрения мероприятий, направленных на профилактику поглощений низкой (малой) интенсивности явился тот факт, что среднее
время строительства одной наклоннонаправленной скважины составило 20 суток, тогда как среднее время строительства одной аналогичной скважины, без профилактики поглощений малой интенсивности составляло 23 суток.
Литература
1. A comprehensive review of nanoparticles applications in the oil and gas industry, Mortadha T. Al-saba Mohammed F. Al Dushaishi Ahmed K. Abbas, https://doi.org/10.1007/s13202-019-00825-z, 4-11 р.
2. Alaskar MN, Ames MF, Connor ST, Liu C, Cui Y, Li K, et al. Nanoparticle and microparticle flow in porous and fractured media-an experimental study. SPE J 2012;17(4):1160-71. doi:10.2118/146752-pa.
3. Al-Shargabi M. A. T. S., Almusai A. Kh., Vazea A. A. Sh. A. Stages and mechanism of clay swelling during well drilling // Scientific community of students of the XXI century. Natural Sciences. - 2018. -S. 47-52.
4. Limo Salehnezhad, Amir Heydari, Moslem Fattahi. Experimental investigation and rheological behaviors of water-based drilling mud contained starch-ZnO nanofluids through response surface methodology. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2018.11.142. 2019 (1 - 14).
5. Ryen Caenn, George R., in Composition and Properties of Drilling and Completion Fluids (Seventh Edition), 2015,7(2), 63-29.
6. S. Q. Liu: Synthesis and properties of potassium carboxymethyl starch for oilfield drilling. Drill Fluid Complet. Fluid. 1988, 5(3), 27-29.
7. Al-Shargabi MA, Al-Musai AH. Review of application of materials for controlling and preventing lose circulation on water-based muds MATS. 1пНовые идеи в науках о Земле 2021 (pp. 147-150).
8. Аль-Шаргаби МА, Альмусаи АХ, Вазеа АА. Стадии и механизм набухания глин при бурении скважин. 1пНаучное сообщество студентов XXI столетия. Естественные науки 2018 (pp. 47-52).
9. Al-Shargabi, M. A. T. S., and A. H. A. Al-Musai. "Comparative analysis of programs for assessing the risk of stuck drill pipes in an oil and gas well." Проблемы геологии и освоения недр: труды XXV Международного симпозиума имени академика МА Усова студентов и молодых учёных, посвященного 120-летию горногеологического образования в Сибири, 125-летию со дня основания Томского политехнического университета, Томск, 5-9 апреля 2021 г. Т. 2.—Томск, 2021 2 (2021): 502504.
