CC BY
73УДК 622.279.7
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ САПРОПЕЛЕВЫХ РАСТВОРОВ ПРИ БУРЕНИИ И РЕМОНТЕ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН
PROSPECTS OF SAPROPELIC FLUIDS USE FOR OIL AND GAS WELLS DRILLING AND REPAIR
Д. С. Леонтьев, А. В. Кустышев, Н. С. Цедрик
D. S. Leontev, A. V. Kustyshev, N. S. Cedric
Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень
Ключевые слова: сапропель; раствор; нефтяные и газовые скважины; бурение; ремонт Key words: sapropel; mud; oil and gas well; drilling; repair
За последние 5-10 лет в нашей стране значительно вырос объем бурения глубоких скважин, усложнились геолого-технические условия (ГТУ) их проводки, что в свою очередь повысило требования к качеству буровых растворов.
84
Нефть и газ № 3, 2016
На наш взгляд, перспективны для их приготовления каустобиолиты, то есть природные органогенные материалы (сапропели, торфы и т. д.).
В конце прошлого века проводились научные исследования, которые показали перспективность применения малоглинистых буровых растворов на основе активированного торфа и сапропеля [1]. В частности, проведены экспериментальные исследования типичных низинных, переходных и верховых торфов Западной Сибири на предмет использования их в качестве дисперсной фазы буровых растворов.
В состав каустобиолитов входят основные компоненты, необходимые для получения растворов, используемых в бурении и ремонте нефтяных и газовых скважин. Минеральная составляющая каустобиолитов представлена тонкодисперсными глинистыми минералами, карбонатными породами, окислами металлов. Органическая составляющая каустобиолитов содержит комплекс высокомолекулярных соединений, в частности гуминовые соединения, легко- и трудногидролизуемые вещества, лигнин, битумы, углеводы, природные жирные кислоты, которые выполняют роль стабилизаторов минеральной составляющей. Наличие в составе са-пропелей и торфа органоминеральных комплексов значительно увеличивает структурообразующую способность твердой фазы и облегчает процесс управления структурно-реологическими и технологическими свойствами буровых растворов на их основе [2].
Вопрос об использовании сапропелей в народном хозяйстве был поднят впервые в СССР, когда в составе Комиссии по изучению естественных производительных сил при Российской Академии наук был образован Сапропелевый комитет. Это позволило в огромных масштабах начать работы по изысканию и изучению сапропелей в различных районах страны. Немаловажное значение для постановки работ по исследованию сапропелей внесла лаборатория сапропелевых отложений Института леса АН СССР и лаборатория генезиса сапропелей Института горючих ископаемых АН СССР. Значительный вклад в изучение сапропелевых отложений внес Институт торфа АН БССР [3].
Сапропели представляют собой желеобразную или зернистую массу от розового до коричневато-оливкового и почти чёрного цвета. При высыхании твердеют. Материалом для образования сапропеля являются остатки организмов, населявших толщу донных отложений воды (фито- и зоопланктон) и ее поверхность, высшие водные растения (макрофиты) и продукты их распада, а также поступающие с водосбора растворенные вещества и минеральные частицы. Формирование сапропеля происходит под воздействием биохимических, микробиологических и механических процессов. Образовавшийся сапропель представляет собой сложный ор-ганоминеральный комплекс веществ. В состав органического вещества, кроме растительных и животных остатков и продуктов их распада, входят продукты жизнедеятельности микроорганизмов. Органическая часть сапропелей содержит от 3 до 11 % битумов, до 40 % гуминовых веществ и других биологически активных веществ. Минеральная часть сапропелей чаще представлена глинистыми, песчанистыми и мелкоалевритовыми терригенными или карбонатными частицами. В минеральном составе выделяют: аллотигенные минералы — кварц, калиевые полевые шпаты, плагиоклазы, биотит, мусковит и др.; сингенетические аутигенные минералы — опал, кальцит, лимонит, сидерит, гипс; диагенетические минералы — кальцит, сидерит, марказит, пирит, сера и др. [4].
Калининским политехническим институтом было предложено обрабатывать сапропели щелочью, а полученные продукты называть сапропелещелочными реагентами [3]. Однако сапропели для получения таких реагентов должны иметь высокое содержание органических веществ с преобладанием гуминовых соединений и минимальное количество минеральных примесей.
С целью расширения возможности применения сапропелей И. И. Лиштван выдвинул идею использования сапропелей в качестве структурообразующих добавок в буровые растворы. Было выявлено [3], что даже небольшие добавки сапропелей в глинистые растворы благоприятно сказываются на структурно-реологических и тех-
2016
Нефть и газ
нологических свойствах буровых растворов. Впоследствии Белорусская геологоразведочная экспедиция Управления геологии БССР впервые провела испытание естественных дисперсий сапропелей в качестве буровых растворов [5].
Использование дисперсий сапропелей для приготовления буровых растворов связано с некоторыми трудностями при транспортировке их к местам бурения скважин, особенно в зимний период. Поэтому были проведены исследования по разработке способа получения буровых растворов из предварительно высушенного порошкообразного сапропеля. При высушивании торф и сапропель значительно теряют способность к набуханию и диспергированию в воде [6].
Немаловажное значение приобретает и выбор наиболее оптимального способа сушки сапропелей. Необходимо, чтобы в процессе высушивания органическое вещество сапропелей не подвергалось термоокислительной деструкции, а ценные структурирующие свойства естественных сапропелей были сохранены [3].
Применение сапропелевых растворов в качестве эмульсий
Эмульсионные растворы применяются при бурении мощных глинистых и глинисто-карбонатных толщ горных пород.
Наличие в сапропелях природных высокомолекулярных соединений (гумино-вые и гидролизуемые вещества, битумы, белки, углеводы, жирные кислоты и др.) и высокодисперсных окислов металлов и алюмосиликатов создает благоприятные предпосылки для получения устойчивых эмульсий. Основной метод их получения — физико-химическое диспергирование, то есть когда тонкодисперсные частицы сапропелей со сложной микромозаичной природой поверхности выступают в роли твердых эмульгаторов и, сосредотачиваясь на границе раздела фаз, стабилизируют эмульсионную дисперсную систему.
С целью получения прямых эмульсий в естественную сапропелевую дисперсию или дисперсию на основе сухого сапропеля при постоянном перемешивании последовательно вводят 0,2-0,5 % щелочи, 0,25-0,5 % алюмокалиевых квасцов или сернокислого железа, а затем 3-10 % сырой нефти по объему [3, 5].
Эмульгаторами нефти в дисперсиях сапропелей служат как поверхностно-активные вещества (ПАВ), содержащиеся в растворенном состоянии, так и сами частицы сапропелей.
По П. А. Ребиндеру из различных факторов стабилизации эмульсий первое место принадлежит механическому фактору — прочности стабилизирующего слоя глобул [7].
Высокодисперсные частицы органической части сапропелей сосредотачиваются на границе раздела фаз и создают прочные структурированные адсорбционные слои. Поверхность более крупных глобул сапропелей имеет лиофильно-гидрофобный характер, что облегчает адсорбцию на поверхности глобул. Глобулы с покрывающими их высокодисперсными частицами сапропелей образуют звенья структурных цепей и соединяют их узлами, что приводит к созданию жесткого и прочного пространственного структурного каркаса [3].
При введении малых добавок нефти (до 3 %) отмечается разжижение пресной дисперсии сапропеля и снижение прочности структуры. Однако по мере того как нефть диспергируется в виде мельчайших капель, и увеличивается ее количество, происходит повышение пластической вязкости, динамического предельного напряжения сдвига. Это есть результат адсорбции сапропелевых частиц на поверхности образующихся нефтяных капель и постепенной перестройки дисперсной системы с формированием качественно новой структурной сетки [8].
Применение сапропелевых растворов в качестве буферных жидкостей
При строительстве глубоких скважин цементирование — наиболее ответственный этап, а общие затраты по креплению скважин достигают 20-30 % их общей стоимости. Успех крепления в значительной степени зависит от эффективности очистки ствола от выбуренной породы и бурового раствора перед спуском обсадной колонны и цементированием. Отсюда вытекает необходимость разработки высокоэффективных буферных (разделительных) жидкостей.
86
Нефть и газ Я 2016
С целью предупреждения загустевания смесей буровых и тампонажных растворов используют разделительные буферные жидкости. Их закачивают в скважину перед тампонажным раствором для предупреждения их смешивания с буровыми растворами в обсадных трубах и за колонной, а также для более полного вытеснения из затрубного пространства остатков бурового раствора [9].
В качестве буферных жидкостей обычно используют растворы полимеров, ПАВ, солей, кислот, нефть и др. При выборе буферных жидкостей для конкретных геолого-технических условий необходимо в специализированной лаборатории проверить их совместимость с буровыми и тампонажными растворами.
Основным критерием совместимости таких растворов служит постоянство реологических свойств буферной жидкости после введения в нее буровых и тампонаж-ных растворов. В этой связи необходимо проверить совместимость дисперсий са-пропелей различных генетических типов с буровыми и тампонажным растворами. Для этого дисперсии сапропелей смешивают с глинистыми и меловыми растворами, а также тампонажными смесями при В/Ц = 0,5, после чего для исходных растворов и их смесей определяют реологические характеристики [3]. Отмечено, что при смешивании дисперсий сапропелей с бентонитовыми растворами не наблюдается загусте-вание смеси, а в некоторых случаях отмечается и даже разжижение.
В связи с высокой стойкостью сапропелей к полиминеральной агрессии [10] были разработаны составы буферных жидкостей на сапропелевой основе и растворов минеральных солей различной концентрации. В таких буферных жидкостях сапропели выполняют роль структурирующих добавок, которые придают им определенные структурно-реологические свойства.
Основное достоинство сапропелевых буферных жидкостей — их пригодность для дальнейшего использования в качестве буровых растворов после некоторой химической обработки.
Особого внимания заслуживает применение сапропелей в качестве добавки в цементные растворы. Установлено, что цементные растворы с добавлением сапропеля или торфа обладают высокой коррозионной стойкостью к действию пластовых вод, тем самым увеличивая долговечность скважин.
Под руководством В. К. Галабурды в Белорусском научно-исследовательском геологоразведочном институте разработаны составы цементно-торфяных и це-ментно-сапропелевых тампонажных растворов [3, 5]. Добавление в состав цементных растворов сапропелей и торфа дает возможность получать облегченные там-понажные растворы, пригодные для цементирования в условиях аномально низких пластовых давлений (АНПД).
Добавление сапропелей и торфа различной плотности позволяет регулировать плотность тампонажных растворов в довольно широких пределах. Отмечено, что тампонажные цементы при водозатворении в первый момент дают коагуляционно-кристаллизационные структуры небольшой прочности. В дальнейшем в результате срастания и твердения цементных частиц прочность кристаллизационной структуры нарастает, тем самым образуется прочный цементный камень.
Авторы также активно занимаются разработкой новых материалов на основе природных органогенных материалов. Так, к примеру, уже разработан торфоще-лочной раствор для бурения скважин в интервалах, сложенных глинистыми породами и многолетнемерзлыми породами (ММП). Раствор включает торф, щелочной модификатор, ингибитор, флокулянт и воду. В отличие от ближайшего аналога он дополнительно содержит понизитель водоотдачи и пеногаситель, причем в качестве понизителя водоотдачи применяется полимер Polydia, а в качестве реагента снижения пенообразования — пеногаситель Могутов МАС-200М [11].
Разработан торфощелочной буровой раствор для вскрытия продуктивных пластов, который включает в себя: торф, калийносодержащий щелочной модификатор, полимер, утяжелитель, пеногаситель, смазывающую добавку и воду.
2016
Нефть и газ
87
Также авторы разработали вязкоупругий состав при проведении ремонтных работ в скважинах, который включает в себя: торф, калийносодержащий щелочной модификатор, хлористый калий, полимер, утяжелитель, пеногаситель и воду.
В работах академика НАН Беларуси И. И. Лиштвана показано, что применение сапропелей республики Беларусь в некоторых случаях позволяет добиться получения более высококачественных дисперсных фаз по сравнению с торфом [3, 5].
На наш взгляд, торфы и сапропели юга Тюменской области могут представлять интерес для получения новых химических реагентов для получения буровых растворов.
На кафедре «Бурение нефтяных и газовых скважин» Тюменского индустриального университета для развития наработок белорусских ученых проведен комплекс исследований, направленных на оценку возможности использования природных запасов сапропелей Тюменской области, на примере проб из озера Кошка-ринка, в качестве основы для разработки буровых реагентов и в перспективе создания сапропелевых буровых растворов.
Озеро Кошкаринка находится в 30 км на северо-восток от города Тюмень, рядом с деревней Мияги. Площадь озера составляет ~ 42 га, длина — 0,74 км, ширина — 0,7 км, средняя глубина — 2,7 м, озеро имеет вытянутую с северо-востока на юг форму. Вода — слабощелочная, солевой состав представлен гидрокарбонатами; минерализация составляет 0,2 г/л. Озеро имеет достаточно мощные донные отложения сапропелей от 0,4 м до 10 м, которые относятся к органическому типу.
Методика приготовления сапропелевых растворов заключалась в следующем: навеску влажного сапропеля определенной массы помещали при перемешивании в 1 000 мл воды, содержащей различные концентрации гидроксида калия (КОН). После этого проводились измерения технологических параметров полученной суспензии.
На первоначальном этапе исследований была проведена оценка структурообразующей способности сапропелевой суспензии путем определения условной вязкости растворов. Полученные результаты позволили сделать вывод, что увеличение концентрации сапропеля и времени выдержки раствора ведет к повышению условной вязкости.
С целью изучения возможности получения более качественного бурового раствора из сапропеля изучено воздействие щелочи на суспензию. Увеличение концентрации щелочи не приводит к повышению условной вязкости. Тем не менее наблюдается рост с увеличением времени выдержки раствора.
Необходимо отметить, что полученные растворы обладают высокими значениями фильтрации. С целью снижения данного показателя была проведена термическая активация полученных суспензий. Суспензии нагревали до температуры более 80 0С, и в течение одного часа перемешивали при неизменной температуре. После термической обработки показатель фильтрации снизился практически в 1,5 раза.
Проведенные исследования показали перспективность использования сапропеля в качестве дисперсной фазы буровых растворов. В дальнейшем планируется продолжить исследования суспензий на основе сапропеля, их модификацию и активацию. Планируется для оценки эффективности разрабатываемых составов сапропелевого бурового раствора провести исследования на определение степени воздействия бурового раствора на фильтрационно-емкостные свойства пород коллекторов в условиях, моделирующих пластовые. Кроме того, необходимо в состав сапропелевых буровых растворов вводить определенные концентрации полимера, что потребует дополнительного изучения особенностей процессов структурообра-зования таких дисперсий в зависимости от степени высушивания, концентрации твердой фазы, химических добавок и других факторов.
Таким образом, за последние годы в России значительно вырос объем бурения глубоких скважин, усложнились геолого-технические условия их проводки, что и повышает требования к качеству буровых растворов. На наш взгляд, перспективны
88
Нефть и газ М> 2016
для их приготовления каустобиолиты — природные органогенные материалы (са-пропели и торфы).
Проведенные научные исследования показали перспективность использования сапропеля в качестве дисперсной фазы буровых растворов.
Список литературы
1. Влияние типа и группового состава торфа на свойства буровых растворов / С. Г. Маслов, С. М. Долгих, П. С. Чубик, Е. Б. Годунов // Химия растительного сырья. - 2003.- № 3. - С. 57-67.
2. Лиштван И. И., Король Н. Т. Основные свойства торфа и методы их определения. - Мн., 1975.
3. Косаревич И. В. и др. Сапропелевые буровые растворы / И. В. Косаревич, Н. Н. Битюков, В. Ш. Шмавонянц. Под ред. И. И. Лиштвана. - Мн. : Наука и техника, 1987. - 191 с.
4. Вирясов Г. П., Лиштван И. И. Переработка и исследование торфа и сапропелей. -Мн.,1971.
5. Галабурдаи В. К. и др. // Особенности технологии строительства нефтяных скважин в Белоруссии // В. К. Га-лабурда, В. Ш. Шмавонянц, И. И. Лиштван. -Мн.,1980.
6. Базин Е. Т. и др. // Применение торфа и продуктов его химической переработки в народном хозяйстве // Е. Т. Базин, З. М. Макурина, И. Б. Хабарова. -Калинин,1980.
7. Ребиндер П. А. // Тр. III Всесоюз. конф. по коллоид. химии. - М.: 1967.
8. Таубман А. Б., Корецкий А. Ф. // Успехи коллоид. химии. - М.: 1973.
9. Бурение нефтяных и газовых скважин: учебник для нач. проф. образования / Ю. В. Вадецкий. - М.: Академия, 2003. -352 с.
10. Кудинов А. И., Косаревич И. В. // Бурение глубоких разведочных скважин на нефть и газ в Белоруссии.-Мн., 1984.
11. Пат. 2550704 РФ, С09К 8/12 (2006.01). Торфощелочной буровой раствор для бурения скважин в многолетне-мерзлых породах / Д. С. Леонтьев, А. В. Кустышев, В. П. Овчинников, Д. А. Бакин (РФ). - № 2014117048; заяв. 25.04.14; опубл. 10.05.15, бюл. № 13.
Сведения об авторах
Леонтьев Дмитрий Сергеевич, аспирант, ассистент кафедры «Бурение нефтяных и газовых скважин», Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень, тел. 8(3452)200989, e-mail: leonfob@mail. ru
Кустышев Александр Васильевич, д. т. н., профессор кафедры «Бурение нефтяных и газовых скважин», Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень, тел. 8(3452)200989, e-mail: kustishev@tngg. info
Цедрик Николай Сергеевич, ассистент кафедры «Бурение нефтяных и газовых скважин», Тюменский индустриальный университет, г. Тюмень, тел. 8(3452)200989
Information about the authors
Leontiev D. S., postgraduate, assistant of the chair «Drilling of oil and gas wells», Industrial University of Tyumen, phone: 8(3452)200989, e-mail: leonfob@mail. ru
Kustyshev A. V., Doctor of Engineering, professor of the chair «Drilling of oil and gas wells», Industrial University of Tyumen, phone: 8(3452)200989, e-mail: kustishev@tngg.info
Cedric N. S., assistant of the chair «Drilling of oil and gas wells», Industrial University of Tyumen, phone: 8(3452)200989
