CC BY
508
УДК. 622.24
ПРЕИМУЩЕСТВА ПРИМЕНЕНИЯ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ НА УГЛЕВОДОРОДНОЙ ОСНОВЕ ПРИ БУРЕНИИ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН
В.Ю. Гришковец1, Ю.С. Давыдов2, Т.А. Редкин 3, Л.В. Николаева4, А.В. Карпиков5
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Рассмотрены преимущества буровых растворов на углеводородной основе при первичном вскрытии продуктивных пластов, рецептуры иностранного и отечественного производства.
Библиогр 4 назв. Ил. 3.
Ключевые слова: растворы на углеводородной основе; первичное вскрытие продуктивных пластов.
ADVANTAGES OF USING OIL-BASE MUDS UNDER DRILLING OIL AND GAS WELLS
V.Y. Grishkovets, J.S. Davydov, T.A. Redkin, L.V. Nikolaeva, A.V. Karpikov
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia
The article considers the advantages of oil-base muds of foreign and domestic formulation under the primary opening of productive layers.
4 sources. 3 figures.
Key words: oil-base muds; primary opening of productive layers.
Одной из основных причин низкой продуктивности скважин или отсутствия притоков является применение для вскрытия буровых растворов на водной основе. При проникновении фильтратов таких растворов в поровое пространство пласта оттесняется нефть, набухает глинистый цемент коллектора, образуются нерастворимые соединения с реагентами, водонефтяные эмульсии и т.д.
Поэтому значительную роль при
строительстве скважин играет технология буровых растворов. От выбора состава и свойств промывочного агента, правильности управления его качеством, технологической грамотности персонала зависит успешность буровых работ, которая заключается как в предупреждении геологических осложнений и аварийных ситуаций, так и в повышении показателей работы долот, получении достоверной геологической
^ришковец Вячеслав Юрьевич, аспирант кафедры нефтегазового дела, тел.: 89135244811, e-mail: [email protected]
Grishkovets Vyacheslav, Postgraduate of the Department of Oil and Gas Business, tel.: 89135244811, e-mail: [email protected]
2Давыдов Юрий Сергеевич, аспирант кафедры нефтегазового дела, тел.: (3952) 405278, e-mail: [email protected]
Davydov Yuri, Postgraduate of the Department of Oil and Gas Business, tel.: (3952) 405278, e-mail: [email protected]
3Редкин Тарас Анатольевич, аспирант кафедры нефтегазового дела, тел.: (3952) 405278, e-mail: [email protected]
Redkin Taras, Postgraduate of the Department of Oil and Gas Business, tel.: (3952) 405278, e-mail: [email protected]
4Николаева Людмила Васильевна, кандидат технических наук, доцент кафедры нефтегазового дела, тел.: (3952) 405659, e-mail: [email protected]
Nikolaeva Lydmila, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Oil and Gas Business, tel.: (3952) 405659, e-mail: [email protected]
5Карпиков Александр Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры нефтегазового дела, тел.: (3952) 405659, e-mail: [email protected]
Karpikov Alexander, Candidate of technical science, Associate Professor of the Department of Oil and Gas Business, tel.: (3952) 405659, e-mail: [email protected]
информации и сохранении продуктивных характеристик коллектора.
В настоящее время разработано и используется большое количество рецептур буровых растворов, отличающихся по виду дисперсионной среды и дисперсионной фазы. Важнейшая особенность любого бурового раствора заключается в том, что взаимодействие между раствором и разбуриваемой породой должно оказывать минимальное воздействие на механические свойства пород. Это существенное требование для того, чтобы сохранить номинальный диаметр скважины и успешно закончить бурение. В сцементированных породах бурение неизбежно вызовет снижение напряжения в горной породе и создаст «потенциал всасывания». При использовании бурового раствора на водной основе вода попадет в породу и непременно изменит ее механические свойства. Эти изменения могут быть не столь большими, чтобы привести к нарушению стабильности ствола и, конечно, их можно свести к минимуму применением ингибированных систем, таких, например, как полимерный раствор с хлоридом калия. Однако эти системы не могут предотвратить смачивание водой пор горной породы. Стабилизировать этот процесс можно единственным способом: вступать в контакт с породой должен раствор, который не будет ее смачивать и, следовательно, не будет входить в поры и вызывать изменения механических свойств горных пород. Поэтому и были разработаны буровые растворы, дисперсионной средой которых являются углеводороды.
При использовании растворов на углеводородной основе (РУО) регулирование фильтрации достигается благодаря образованию тонкодиспергирован-ных эмульсий воды в углеводородной фазе при добавлении эффективных органических эмульгаторов. Мельчайшие, весьма устойчивые капельки воды ведут себя как деформируемые частицы твердой фазы, обеспечивая низкую проницаемость фильтрационных корок.
Общепринято деление РУО на два типа. Первый тип - собственно раствор на углеродной основе - не зависит от вовлеченной эмульгированной воды с точки зрения ее влияния на геологические свойства и водоотдачу.
Обычно вода в рецептуру РУО не входит, но, как правило, около 10% воды все-таки в нем имеется. РУО приготавливают на основе рафинированных нефтей, таких как дизельное топливо, но также можно использовать и сырую нефть. В них могут содержаться модифицированные асфальтены в большой концентрации.
Второй тип раствора называется инвертной эмульсией.
У инвертной эмульсии, так же как и РУО, углеводородная дисперсная среда, но в дисперсной фазе должна быть вода, которая обеспечивает некоторые реологические свойства и контроль водоотдачи. Инвертные эмульсии могут содержать от 10 до 50% эмульгированной воды в виде мельчайших шариков диаметром меньше одного микрона в дисперсионной среде, в качестве которой может использоваться чистая нефть или дизельное топливо.
При использовании РУО - максимально достижимая стабильность ствола при одновременном контроле горного давления посредством изменения плотности бурового раствора. В сильно искривленных скважинах, в которых напряжения горных пород имеют большую величину и которые труднее контролировать одной лишь плотностью раствора, а период бурения без обсажи-вания ствола вследствие направленности бурения и большей глубины увеличивается, дополнительная стабилизация ствола может оказаться решающим фактором. Инертная среда предотвращает гидратацию и диспергирование шлама, который эффективно удаляется очистным оборудованием. В результате получается ствол почти номинального диаметра, а необходимость разбавления раствора из-за загрязнения его шламом почти не возникает. Буровой раствор,
ивдшпм.ч
s
M
3
БУРОВОЙ СКОРОСТЬ ПРОХОДКИ и СТАБИЛЬНОСТЬ СТВОЛА ПРИ РЬСТВОР К* БУРЕНИИ В УСЛОВИЯХ ОТРИЦАТЕЛЬНОГО рдгт|™ „ .
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ДАВЛЕНИЯ о"1:!иЪо|Ь
БУРОВОЙ РАСТВОР И* ОСНОВЕ 1РЕСНОИ
>+4 1»
1Г <* ■»*
19 - »«.г *тх>
14
|тг
it.«
ig - mû И.»
_
Qn — плспностъ tivpœcno растворе, фунтДнллон
Pf-пмотаоелавлеянв ВРЕМЯ ррянгаиЯ ДОЛрТЛ НЛ ÎHiRtlF
Рис. 1. Влияние бурового раствора на скорость проходки и стабильность ствола при бурении газоносных слоев низкой проницаемости [1]
высокая концентрация ПАВ и стабильный ствол вместе взятые способствуют повышению смазочных свойств, что снижает крутящий момент и в общем улучшают условия бурения.
Неполярная природа этого бурового раствора способствует тому, что эта система в основном нечувствительна к химическому загрязнению, которое обычно оказывает влияние на системы на водной основе, такие как соль, ангидрид, двуокись углерода и сероводорода.
Еще одной областью, в которой инертная природа этого раствора имеет преимущество, является вскрытие пласта и отбор керна, завершение бурения и капремонт скважин. Эти растворы можно приготовить таким образом, что эмульсия будет стабильна даже в условиях очень высоких температур. Эта их способность вместе со смазочными свойствами и стабильностью сланцев часто делают инвертные эмульсионные буровые растворы более предпочтительными, чем другие типы растворов.
Однако кроме этих очевидных преимуществ есть и недостатки. Один из них - стоимость, ибо по сравнению с системами на водной основе РУО имеют гораздо более высокую начальную
стоимость и поддержание их на должном уровне обходится значительно дороже. Но в конечном итоге, благодаря тому, что РУО не приходится разбавлять, несложно хранить и можно использовать повторно, общие затраты на них снижаются. В некоторых условиях бурения, например, на море, окружающую среду следует изолировать от РУО, что включает в себя дорогостоящую промывку и прочие меры, связанные с безопасным применением этих растворов. Ведущиеся в настоящее время интенсивные поиски нефти и связанные с этим высокие затраты увеличили потребность в буровых растворах на углеводородной основе.
Высокоэффективные буроые растворы на основе жидких парафинов/минеральных масел
INNOVERT. Более 30 лет тому назад фирма «Бароид флуид сервисиз» первой начала применять органофильную глину в составе инвертных эмульсионных растворов. А теперь она первой отказываются от ее применения.
В 2001 году фирма «Бароид» предложила свою систему ACCOLADE, ставшую новым словом в технологии приготовления буровых растворов. Раствор ACCOLADE - первый
выпущенный промышленностью безглинистый высокоэффективный инвертно-эмульсионный буровой раствор.
Практический опыт, полученный с составами ACCOLADE, был учтен при разработке системы INNOVERT, которая предназначена для применения там, где предпочтительной углеводородной основой служат парафины/ минеральные масла. Эта система заставляет отказаться от устаревших, но применяемых методов борьбы с оседанием барита в буровых растворах на основе парафинов/ минеральных масел. Технические достижения, реализованные в этих составах, получили высокую оценку не только за устранение оседания барита, но и за значительное снижение совокупных поглощений бурового раствора, уменьшающих конечную стоимость пробуренной скважины.
Регулирование реологических свойств системы INNOVERT и всех высокоэффективных инвертно-эмуль-сионных систем осуществляется применением нескольких новых эмульгаторов и жирных кислот. Использование таких добавок представляет собой весьма существенный отход от широко распространенных органофиль-ных глин и лигнита. Взаимодействие компонентов в этом безглинистом составе играет решающую роль в образовании его прочной и одновременно хрупкой гелевой структуры, ставшей одной из самых примечательных особенностей буровых растворов серии ACCOLADE [3].
Преимущества высокоэффективных систем INNOVERT:
• Устойчивые свойства бурового раствора в широком диапазоне температур и плотностей.
• Низкие статические напряжения сдвига с хрупкой структурой, способные дать снижение потери раствора в скважине до 80% при среднем снижении на 41% и, следовательно, позволяющие умень-
шить эксплуатационные расходы и воздействие на окружающую среду в сравнении с обычными инвертно-эмульсионными растворами.
• Реологические свойства, которые позволяют получать низкую эквивалентную плотность циркуляции бурового раствора в сочетании с большой несущей способностью и, следовательно, устраняют потребность в тонкоизмельченных утяжелителях, одновременно способствуя достижению отличного качества очистки ствола.
• Высокие статические напряжения сдвига с хрупкой гелиевой структурой, требующие меньших значений давлений нагнетания на устье скважины для разрушения структуры бурового раствора и поэтому устраняющие потребность в изменении его реологических свойств перед спуском обсадной колонны.
• Повышенная стойкость к загрязнителям, таким как выбуренная порода или приток воды.
• Существенно пониженное содержание твердой фазы, способствующее повышению механической скорости бурения.
• Сокращение ассортимента компонентов по сравнению с потребностями для обычных буровых растворов на синтетической основе, упрощающее снабжение и сберегающее пространство на буровой площадке.
• Быстрота реакции на обработку химическими реагентами, не требующая ожидания результатов воздействия реологическими модификаторами (т.е. исключение потребности в многократной циркуляции).
• Вносит вклад в сокращение общих затрат на строительство скважин, повышая рентабельность капиталовложений.
• Для выравнивания плотности после долгого нахождения раствора в статическом состоянии не требуются промежуточные промывки при спуске инструмента до забоя.
добывающая систему
• Чрезвычайно тонкая фильтрационная корка бурового раствора и неглубокое проникновение фильтрата способствуют установлению оптимальных условий для геофизических исследований скважины, превосходной обратной проницаемости по нефти и низких давлений отрыва.
Перед тем как компания испытала
INNOVERT на следующей глубоководной скважине, она потеряла большое количество бурового раствора на соседних скважинах. Фирма «Бароид флуид сервисиз» сменила конкурирующую фирму и успешно внедрила свою систему INNOVERT. Добывающая компания сообщила о снижении потерь раствора в скважине на 60% и конечной экономии средств на 200 тыс. долл. США на каждые пробуренные 3000 метров.
Все инновации, которые были применены в системах ACCOLADE, были использованы при создании новой системы INTEGRADE, системы на основе дизельного топлива с дисперсной фазой CaCl. с загустителем RHEMOD L для контроля реологических свойств и с реагентом-
понизителем фильтрации ADAPTA для снижения фильтрации в условиях высокого давления/высокой температуры. Отсутствие органофильного лигнита и сокращение добавок органофильной глины обеспечивают непревзойденные рабочие характеристики системы INTEGRADE на основе дизельного топлива.
Кроме того, заказчик отметил, что при спуске и цементировании обсадной колонны диаметром 13 3/8 дюйма «наблюдались меньшие давления и не возникло поглощений, вероятность которых была высока». После геофизических исследований в стволе диаметром 12 1/4 дюйма добывающее предприятие не наблюдало пиковых увеличений давления при возобновлении циркуляции бурового раствора.
Инвертно-эмульсионные буро-вые растворы INTEGRADE на основе дизельного топлива компании «Бароид». Все инновации которые были применены в системах ACCOLADE, были использованы при создании новой системы INTEGRADE, системы на основе дизельного топлива с дисперсной фазой CaCl. 5 с загустителем RHEMOD L для контроля реологических свойств и
Рис. 2. Диаграмма значимости технологии растворов INNOVERT[3]
с реагентом- понизителем фильтрации ADAPTA для снижения фильтрации в условиях высокого давления/высокой температуры. Отсутствие органофиль-ного лигнита и сокращение добавок органофильной глины обеспечивают непревзойденные рабочие характеристики системы INTEGRADE на основе дизельного топлива.
Технология буровых растворов ACCOLADE рассчитана на обеспечение повышенных рабочих характеристик в широком диапазоне применений. Опыт, накопившийся в процессе бурения свыше шестисот тысяч погонных метров, привел к значительным изменениям в проектировании и приготовлении инвертно-эмульсионных растворов. Реологические параметры системы INTEGRADE регулируются при помощи применения нескольких новых эмульгаторов и жирных кислот. Эти добавки являются большим отступлением от традиционно используемых органофильных глин и лигнитов. Взаимодействие компонентов данной безглинистой системы является основой обеспечения прочной, и в то же время легко разрушаемой гелевой структуры - одной из наиболее примечательных характеристик технологии ACCOLADE. Система INTEGRADE и другие растворы, созданные на основе технологии ACCOLADE, выделяются на фоне конкурирующих инвертно-эмульсион-ных систем как единственные безглинистые системы и лучший выбор для увеличения эффективности, связанной с уменьшением поглощения бурового раствора, предотвращением оседания барита и улучшением контроля эквивалентной плотности циркуляции (ЭПЦ).
Преимущества эксплуатационных характеристик высокоэффективных буровых растворов INTEGRADE:
• Устойчивые свойства бурового раствора в широком диапазоне температуры и плотности.
• Легко разрушаемая гелевая структура может обеспечить до 80% сокращения потерь раствора в пласт со средним сокращением на 41% - это приводит к понижению эксплуатационных затрат и экологических последствий по сравнению с обычными инвертно-эмульсионными буровыми растворами.
• Уникальные реалогические свойства, которые обеспечивают низкие ЭПЦ и улучшенные структурные параметры, устраняют необходимость применения тонкоразмолотых утяжелителей с одновременным обеспечением эффективной очистки ствола скважины.
• Легко разрушаемая гелевая структура требует низкого давления на устье для возобновления движения раствора, таким образом устраняется необходимость изменения реологии бурового раствора перед спуском обсадной колонны.
• Повышенная устойчивость против загрязнения твердой фазой или притоком воды.
• Содержание твердой фазы значительно ниже, что способствует повышению механической скорости бурения.
• Меньшее количество компонентов по сравнению с обычными синтетическими системами улучшает материальное снабжение и освобождает рабочию площадку.
• Реакция на химическую обработку в реальном времени без задержки на срабатывание реагентов модификаторов реологии (т.е. нет надобности на повторную циркуляцию).
• Позволяет снизить общие затраты на строительство скважины, повышая окупаемость капиталовложений.
• Для выдерживания плотности после долгого нахождения раствора в статическом состоянии не требует промежуточной промывки при спуске инструмента да забоя.
1 1
— 1 INTEGRADE РУО, 2,16 г/см3 ™ Обычный инвертно-эмульсионный раствор на основе диз.топлива, 2,16 г/см —
а 10 20 30 40 50 60
Истекшее время (минуты]
Рис. 3. График технологии буровых растворов INTEGRADE по сравнению с обычными РУО
на основе дизельного топлива [3]
• Черезвычайно тонкая фильтрационная корка и неглубокая фильтрация создают оптимальные условия для каротажа, превосходную обратную проницаемость и низкие давления отрыва корки.
По составу буровой раствор INTEGRADE отличается от ACCOLADE содержанием FORTI-MUL -смесь эмульгаторов особого состава, пригодная для эмульгирования воды в нефть в буровых растворах на углеводородной основе. Способствует улучшению смачиваемости нефтью и предназначена для применения в высокоэффективных инвертных эмульсиях, позволяет снизить гидродинамические свойства инвертно-эмульсионных систем, может добавляться непосредственно в раствор, температурная стабильность свыше 260 °С.
Разработанные во Всесоюзном Институте Буровой Техники (ВНИИБТ) высококонцентрированные инвертные
эмульсионные растворы (ВИЭР) с использованием в качестве эмульгатора эмультала обладают большой устойчивостью к разбуриваемым породам. Эмультал синтезирован в отделе физико-химии буровых растворов института и производится в промышленном масштабе предприятиями страны.
С промывкой ВИЭР пробурены скважины при глубинах от 700 до 4500 м в различных геолого-технических условиях. Он использовался, в основном, для вскрытия продуктивных пластов, проводки основного ствола в неустойчивых породах, а также для отбора керна в разведочном бурении и бурении соляных толщ.
Опыт показал, что во всех случаях, при отсутствии нарушений технологии, такие скважины легко вступают в эксплуатацию, а время их освоения, в зависимости от конкретных условий, сокращается значительно. Причем в случае открытого забоя для освоения карбонатных коллекторов не требуется
обязательных кислотных обработок.
Проведенные гидродинамические исследования на эксплуатационных скважинах, законченных на ВИЭР и растворах на водной основе, убедительно показали, что обеспечивается продуктивность, близкая к потенциальной, тогда как водными растворами кратно занижается. Это относится в равной мере как к тирегенным, так и к карбонатным коллекторам.
Таким образом, опыт применения инвертных эмульсий свидетельствует о их высокой эффективности для бурения в сложных геологических условиях и заканчивании скважин на месторождениях, представленных как гранулярными, так и карбонатными коллекторами.
Иркутского го!
Библиографический список
1. Буровые растворы на углеводородной основе HALLIBURTON Baroid Fluid Services. 1997. 229 с.
2. Методические рекомендации по приготовлению и применению растворов на углеводородной основе в Восточной Сибири / Л.В. Николаева [и др.]. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 1983. 25 с.
3. Руководство по применению высокоэффективных безглинистых ин-вертно-эмульсионных растворов компании HALLIBURTON Baroid Fluid Services. 2007. 12 с.
4. Уляшева Н.М. Технология буровых жидкостей: учеб. пособие. Ухта: УГТУ, 2008. 164 с.
Рецензент кандидат технических наук, доцент венного технического университета В.Г. Заливин
