CC BY
106
УДК 622.24
https://doi.org/10.24411/0131-4270-2019-10208
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ БИОПОЛИМЕРНЫХ БУРОВЫХ РЕАГЕНТОВ ПРИ БУРЕНИИ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ СТВОЛОВ
EVALUATION OF THE EFFECTIVENESS OF THE USE OF BIOPOLYMER DRILLING REAGENTS FOR DRILLING HORIZONTAL SHAFTS
И.А. Четвертнева1, Г.А. Тептерева2, И.Ф. Гайсин1, С.Ю. Шавшукова2
1 ООО «Сервисный Центр СБМ», 119330, Москва, Россия E-mail: chetvertneva@ufa.scsbm.ru
E-mail: gaisin@ufa.scsbm.ru
2 Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450062, г. Уфа, Россия
E-mail: teptereva.tga@yandex.ru E-mail: sshavshukova@mail.ru
Резюме: Статья посвящена применению биополимерных буровых растворов, обладающих свойством псевдопластичности и отвечающих требованиям, предъявляемым к промывочным жидкостям при бурении горизонтальных стволов и качественного вскрытия продуктивных пластов на месторождениях Вол-го-Уральского региона. Исследован реологический профиль и проведена оценка эффективности различных биополимерных реагентов на основе микробных полисахаридов. Проведена сравнительная характеристика эффективности работы в скважине отечественного реагента марки КК (Россия) с реагентами подобной природы Kem-X (США) и Родопол-23R (Франция). Данными экспериментов подтверждена зависимость эффективной вязкости водных растворов биополимерных реагентов полисахаридов от скорости деформации структуры раствора (сдвиговых нагрузок), проведены исследования свойств псевдопластичности по показателям нелинейности и консистенции.
Ключевые слова: биополимерный буровой раствор, псевдопластичность, структурно-реологические свойства, ингибирование, показатели нелинейности и консистентности.
Для цитирования: Четвертнева Н.А., Тептерева Г.А., Гайсин И.Ф., Шавшукова С.Ю. Оценка эффективности применения биополимерных буровых реагентов при бурении горизонтальных стволов // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2019. № 2. С. 40-43.
D0l:10.24411/0131-4270-2019-10208
Irina A. Chetvertneva1, Galina A. Teptereva2, Ilfat F. Gaysin1, Svetlana YU. Shavshukova2
1 LLC SBM Service Center, 119330, Moscow, Russia E-mail: chetvertneva@ufa.scsbm.ru
E-mail: gaisin@ufa.scsbm.ru
2 Ufa State Petroleum Technological University, 450062, Ufa, Russia E-mail: teptereva.tga@yandex.ru
E-mail: sshavshukova@mail.ru
Abstract: The article is devoted to the use of biopolymer drilling fluids that have the property of pseudoplasticity and meet the requirements for flushing fluids when drilling horizontal shafts and high-quality opening of productive layers in the fields of the Volga-Ural region. The rheological profile was investigated and the effectiveness of various biopolymer reagents based on microbial polysaccharides was evaluated. A comparative characterization of the operating efficiency in the well of the domestic reagent KK (Russia) with reagents of similar nature Kem-X (USA) and Rodopol-23R (France) was carried out. The experimental data confirmed the dependence of the effective viscosity of aqueous solutions of biopolymer reagents of polysaccharides on the strain rate of the structure of the solution (shear loads), studies of the properties of pseudoplasticity in terms of nonlinearity and consistency were carried out.
Keywords: biopolymer drilling mud, pseudoplasticity, structural and rheological properties, inhibition, nonlinearity and consistency indicators.
For citation: Chetvertneva I.A., Teptereva G.A., Gaisin I.F., Shavshukova S.YU. EVALUATION OF THE EFFECTIVENESS OF THE USE OF BIOPOLYMER DRILLING REAGENTS FOR DRILLING HORIZONTAL SHAFTS. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons. 2019, no. 2, pp. 40-43.
DOI:10.24411/0131-4270-2019-102078
Современная ситуация в нефтедобывающей отрасти в Башкортостане, как и в целом по России, осложнена истощением запасов старых крупных месторождений и продолжением работ на месторождениях с малодебитными, низкопроницаемыми коллекторами. В связи с этим, наиболее перспективными сегодня считаются технологии, основанные на горизонтальном бурении и использовании растворов с улучшенными фильтрационными, ингибирующими, поверхностно-активными свойствами [1].
При бурении горизонтальных скважин существенную роль имеет качество и состав бурового раствора. Причиной этого является сложность сохранения устойчивости ствола скважин, очистки от выбуренной породы, снижения сил трения при движении бурильной колонны. Одной из проблем при проводке стволов способом горизонтального бурения является более длительный по сравнению с вертикальным контакт стенок ствола с буровым раствором.
Поэтому горизонтальные стволы более чувствительны к загрязнению пластов и, наконец, значимо отличается физи-ко-механика притока в горизонтальном стволе [2].
Важным при бурении горизонтальных стволов является соответствие бурового раствора условиям бурения: плохая очистка скважины, избыточный крутящий момент, механическое сопротивление движению вплоть до прихватов бурильного инструмента, нарушение устойчивости стенок скважин, потеря циркуляции, кольматация приствольной зоны. Наибольшее число осложнений и аварий связано также с разбуриванием неустойчивых глинистых пород [3, 4].
С учетом накопленного отечественного и мирового опыта можно сформулировать следующие основные требования к буровому раствору для заканчивания скважин горизонтальными стволами [2, 5]:
- буровой раствор не должен загрязнять продуктивный пласт, следовательно, компонентный состав бурового
раствора должен учитывать как петрофизические свойства коллектора (пористость, проницаемость, размер пор, содержание глины), так и физико-химические свойства раствора и его фильтрата (поверхностное натяжение и угол краевого смачивания на границе вода - нефть);
- буровой раствор должен предотвращать развитие осложнений, связанных с глинистыми минералами, за счет повышенных требований к ингибирующим свойствам и к фильтрационным потерям;
- буровой раствор должен обеспечивать надлежащую очистку ствола скважины при низких значениях вязкости и турбулентном режиме промывки (при вскрытии устойчивых карбонатных коллекторов) и при ламинарном режиме промывки (для бурения низкопроницаемых неустойчивых коллекторов).
С учетом вышеуказанных требований для бурения в потенциально неустойчивых глинистых породах разработана широкая гамма растворов с различным уровнем инги-бирующего действия как на водной, так и на углеводородной основе [4]. Например, кальциевые (известковые, гипсовые, хлоркальциевые), малосиликатные, калиевые и их разновидности (гипсокалиевые, алюмокалиевые). Также разработаны инвертные эмульсии с регулируемой активностью водной фазы. Однако гораздо чаще в мировой практике применяются ингибированные растворы на водной основе [1, 2, 5]. Практически важным является создание высокоингибированных систем буровых растворов и управление их свойствами с учетом специфики горно-геологических условий проводки скважины.
В связи с этим, одной из актуальных современных задач является создание буровых растворов, отвечающих требованиям горизонтального бурения и обеспечивающих качественное вскрытие продуктивных нефтенасыщенных пластов.
За рубежом и в нашей стране [6] при бурении горизонтальных скважин широкое применение получили реологически сконструированные системы буровых растворов на основе биополимерного реагента ксантанового типа. Биополимерный реагент обеспечивает эффективную очистку горизонтального ствола от частиц выбуренной породы, улучшает смазочные свойства раствора и не оказывает загрязняющего действия на продуктивный пласт.
Принципиальным отличием указанных систем является наличие у них псевдопластических свойств, характеризующихся снижением эффективной вязкости (при высоких скоростях сдвиговых нагрузок) и загущением раствора (при низких сдвиговых нагрузках).
Псевдопластичные свойства растворов биополимеров оценивали в соответствии с реологической моделью, математически описываемой уравнением Освальда де Ваале:
т = К • у11,
где т - динамическое напряжение сдвига; К - показатель консистенции (повышение вязкости при скорости сдвига 1 с-1); у - скорость сдвига; п - показатель нелинейности (величина отклонения от ньютоновской жидкости).
Необходимо отметить, что уровень псевдопластичности биополимерного раствора тем выше, чем больше величина К и меньше величина п.
При этом значение показателей п и К рассчитывают по формулам [6]:
п = 3,32 • д (е600/бз00);
К = (5,11 • е300) / 5111, где еб00 и е300 - показания на вискозиметре Fann 35А при 600 и 300 об/мин соответственно.
На месторождениях Башкортостана растворы, содержащие биополимерные добавки, стали применяться с 1997
Таблица 1
Зависимость динамического напряжения сдвига водных растворов биополимеров от скорости сдвига
Скорость сдвига, об/мин
Марка биополимера Концен^ация биопол., % 600 | 300 | 200 | 180 | 100 | 90 | 60 | 30 | 6 | 3 | 1,8 | 0,9
Динамическое напряжение сдвига, дПа
Ксантановая 0,10 44,46 30,66 26,06 25,04 20,44 17,89 15,33 11,24 6,132 5,11 4,088 2,555
камедь 0,25 76,65 58,77 51,1 48,55 40,88 38,33 30,66 23 12,78 10,22 7,665 5,11
0,50 138 112,4 102,2 99,65 86,87 84,32 79,21 66,43 51,1 43,44 38,33 33,22
0,75 204,4 168,6 158,4 155,9 140,5 138 132,9 125,2 104,8 89,43 81,76 66,43
1,00 281,1 242,7 224,8 222,3 207 201,8 194,2 184 155,9 145,6 132,9 127,8
0,10 68,99 51,1 43,44 40,88 33,22 31,68 28,11 23 7,665 5,11 3,577 1,022
0,25 139 109,9 94,54 93 79,21 76,65 68,99 58,77 41,9 36,79 33,22 28,11
0,50 278,5 230 204,4 201,8 178,9 176,3 166,1 150,7 125,2 115 104,8 99,65
0,75 424,1 352,6 319,4 316,8 281,1 275,9 255,5 230 186,5 171,2 161 143,1
1,00 523,8 467,6 421,6 413,9 367,9 360,3 334,7 286,2 217,2 201,8 186,5 163,5
«Родопол-23R» 0,10 45,99 30,66 24,53 23 16,35 15,33 13,8 10,22 6,132 5,11 4,088 2,555
0,25 102,2 71,54 59,79 56,21 44,46 41,9 35,77 30,66 18,91 15,33 12,78 10,22
0,50 237,6 186,5 163,5 155,9 132,9 128,8 116,5 101,2 76,65 68,99 63,88 58,77
0,75 365,4 291,3 256,5 251,4 218,2 214,6 196,7 178,9 144,1 136,4 127,8 120,1
1,00 493,1 408,8 357,7 350 309,2 304 283,6 255,5 204,9 194,2 181,4 171,2
Таблица 2
Зависимость эффективной вязкости водных растворов биополимеров от скорости сдвига
Скорость сдвига, об/мин
Марка биополимера Концен^ация биопол., % 600 300 200 180 100 90 60 30 6 3 1,8 0,9
Эффективная вязкость, мПа-с
Ксантановая 0,10 4,35 6 7,65 8,163 12 11,67 15 22 60 100 133,3 166,7
камедь 0,25 7,5 11,5 15 15,83 24 25 30 45 125 200 250 333,3
0,50 13,5 22 30 32,49 51 54,99 77,5 130 500 850 1250 2167
0,75 20 33 46,5 50,81 82,5 89,99 130 245 1025 1750 2667 4333
1,00 27,5 47,5 66 72,47 121,5 131,7 190 360 1525 2850 4333 8333
Кет-Х 0,10 6,75 10 12,75 13,33 19,5 20,66 27,5 45 75 100 116,7 66,67
0,25 13,6 21,5 27,75 30,32 46,5 50 67,5 115 410 720 1083 1833
0,50 27,25 45 60 65,81 105 115 162,5 295 1225 2250 3417 6500
0,75 41,5 69 93,75 103,3 165 180 250 450 1825 3350 5250 9333
1,00 51,25 91,5 123,8 134,9 216 235 327,5 560 2125 3950 6083 10667
«Родопол-23R» 0,10 4,5 6 7,2 7,497 9,6 9,999 13,5 20 60 100 133,3 166,7
0,25 10 14 17,55 18,33 26,1 27,33 35 60 185 300 416,7 666,7
0,50 23,25 36,5 48 50,81 78 83,99 114 198 750 1350 2083 3833
0,75 35,75 57 75,3 81,97 128,1 140 192,5 350 1410 2670 4167 7833
1,00 48,25 80 105 114,1 181,5 198,3 277,5 500 2005 3800 5916 11167
года. В качестве биополимерного реагента использовался микробный полисахарид с торговым названием Кет-Х, поставляемый американской фирмой Кет-Тгоп. Проведенные исследования структурно-реологических свойств водных растворов различных типов биополимеров, позволили оценить эффективность различных биополимерных реагентов, в том числе марки КК (Россия), Кет-Х (США) и «Родопол-23R», производимый французской фирмой Rhodia. Данные экспериментов [7], показывающие изменение динамического напряжения сдвига, приведены в табл. 1. Данные экспериментов, показывающие зависимость эффективной вязкости водных растворов полисахаридов от скорости сдвига, приведены в табл. 2. Исследования проводились на 12 скоростном вискозиметре «Фанн-35 SA».
Из анализа данных,приведенных в табл. 1, очевидно, что с повышением скорости сдвига величина динамического напряжения сдвига увеличивается для водных растворов в последовательности: Кет-Х, «Родопол-23R» и КК, что является характеристикой аномальности вязкостных свойств (псевдопластичности).
Рис. 1. Зависимость эффективной вязкости от скорости деформации водных растворов биополимеров «К-К» (ксантановая камедь), Кет-Х, Родопол-23
Скорость деформации, с-1 - ксантановая камедь Kem-X
■ Родопол-23
I
Рис. 2. Зависимость показателя нелинейности (п) и показателя консистенции (К) от концентрации водных растворов биополимеров
0,5
с, %
• показатель нелинейности (КК) ■ показатель нелинейности (Кем-Х) показатель консистенции (Родопол-23)
показатель нелинейности (Родопол-23) показатель консистенции (КК) показатель консистенции (Кем-Х)
Для изучения особенностей вязкостных свойств водных растворов биополимеров, измеряли эффективную вязкость, как долю пластической вязкости (см. табл. 2).
По данным табл. 2 наблюдается обратная зависимость: с повышением скорости сдвига величина эффективной вязкости падает, что графически показано на рис. 1.
Представленная на рис. 1 зависимость характеризует факт наличия свойства псевдопластичности (аномалии вязкости) исследуемых водных растворов с добавками биополимерных реагентов.
Дополнительно были проведены исследования свойств псевдопластичности по показателям нелинейности (п) и консистенции (К) рис. 2 [8].
В целом экспериментально установлено наличие свойства псевдоплатичности по ряду показателей (эффективная вязкость, динамическое напряжение сдвига, показатели нелинейности и консиситенции).
Таким образом, проведенное комплексное исследование показало, что применение биополимерных реагентов способствует повышению эффективности работы поро-доразрушающего инструмента (долота) и очистки ствола скважины. В связи с этим, в отечественной и зарубежной практике заканчивания скважин горизонтальными стволами применение биополимерных реагентов является перспективным и востребованным направлением практики бурения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. 2. 3.
5.
Городнов В.Д. Физико-химические методы предупреждения осложнений в бурении. М.: Недра, 1984. 229 с. Грей Дж.Р., Дарли Г.С.Г. Состав и свойства буровых агентов (промывочных жидкостей). М.: Недра, 1985. 509 с. Иктисанов В.А. Определение фильтрационных параметров пластов и реологических свойств дисперсных систем при разработке нефтяных месторождений. М.: ВНИИОЭНГ. 2001. 212 с.
Кошелев В.Н., Вахрушев Л.П., Беленко Е.В., Лушпеева O.A. Полимер-дисперсные синергетические явления и новые системы буровых растворов // Нефтяное хозяйство. 2001. № 4. С. 22-23.
Куксов В.А. Исследование и разработка полимерных безглинистых растворов для бурения и заканчивания наклонно направленных и горизонтальных скважин: дис. канд. техн. наук: 25.00.15. Краснодар, 2001. 135 с. Вахрушев Л.П., Кошелев В.Н., Пеньков А.И., Беленко Е.В. Пространственно структурированные водные безглинистые растворы // Нефтяное хозяйство. 2001. № 9. С. 40-43.
ВРД 39-1.8-045-2001. Методика по выбору реологических свойств буровых растворов и технологии очистки горизонтальных скважин. М.: ВНИИГАЗ, 2001.
Крылов В.И., Крецул В.В. Реологическое моделирование биополимерных промывочных жидкостей // Нефтеотдача. 2002. № 5. С. 16-20.
REFERENCES
1. Gorodnov V.D. Fiziko-khimicheskiye metodypreduprezhdeniya oslozhneniy vburenii [Physico-chemical methods for the prevention of drilling complications]. Moscow, Nedra Publ., 1984. 229 p.
2. Grey Dzh.R., Darli G.S.G. Sostav i svoystva burovykh agentov (promyvochnykh zhidkostey) [Composition and properties of drilling agents (flushing fluids)]. Moscow, Nedra Publ., 1985. 509 p.
3. Iktisanov V.A. Opredeleniye fil'tratsionnykh parametrov plastov i reologicheskikh svoystv dispersnykh sistem pri razrabotke neftyanykh mestorozhdeniy [Determination of reservoir parameters and rheological properties of dispersed systems in the development of oil fields]. Moscow, VNIIOENG Publ., 2001. 212 p.
4. Koshelev V.N., Vakhrushev L.P., Belenko Ye.V., Lushpeyeva O.A. Polymer-dispersed synergistic phenomena and new systems of drilling fluids. Neftyanoye khozyaystvo, 2001, no. 4, pp. 22-23 (In Russian).
5. Kuksov V.A. Issledovaniye i razrabotka polimernykh bezglinistykh rastvorov dlya bureniya i zakanchivaniya naklonno napravlennykh i gorizontal'nykh skvazhin. Diss. kand. tekhn. nauk [Research and development of polymer clay-free solutions for drilling and completion of directional and horizontal wells. Cand. tech. sci. diss.]. Krasnodar, 2001. 135 p.
6. Vakhrushev L.P., Koshelev V.N., Pen'kov A.I., Belenko Ye.V. Spatially structured aqueous non-clay solutions. Neftyanoye khozyaystvo, 2001, no. 9, pp. 40-43 (In Russian).
7. VRD 39-1.8-045-2001. Metodika po vyboru reologicheskikh svoystv burovykh rastvorov i tekhnologii ochistki gorizontal'nykh skvazhin [VRD 39-1.8-045-2001. Methods for choosing the rheological properties of drilling fluids and the technology for cleaning horizontal wells]. Moscow, VNIIGAZ Publ., 2001.
8. Krylov V.I., Kretsul V.V. Rheological modeling of biopolymer flushing fluids. Nefteotdacha, 2002, no. 5, pp. 16-20 (In Russian).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Четвертнева Ирина Амировна, к.т.н. руководитель, ООО «Сервисный Центр СБМ» Волго-Уральского региона.
Гайсин Ильфат Фаритович, главный технолог, ООО «Сервисный Центр
СБМ» Волго-Уральского региона.
Тептерева Галина Алексеевна, к.х.н., доцент кафедры общей,
аналитической и прикладной химии, Уфимский государственный
нефтяной технический университет.
Шавшукова Светлана Юрьевна, д.т.н., проф. кафедры общей,
аналитической и прикладной химии, Уфимский государственный
нефтяной технический университет.
Irina A. Chetvertneva, Cand. Sci. (Tech.), Нead of the Volga-Ural region of LLC SBM Service Center.
Ilfat F. Gaysin, Chief Technologist, Volga-Ural region of LLC SBM Service Center.
Galina A. Teptereva, Cand. Sci. (Chem.), Assoc. Prof. Ufa State Petroleum Technological University.
Svetlana YU. Shavshukova, Dr. Sci. (Tech.), Prof. Ufa State Petroleum Technological University.
6
3
