CC BY
82
НАШ САЙТ В ИНТЕРНЕТЕ: WWW.NEFTEGAZOHIMIYA.RU ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПРОДУКТЫ
*о-
УДК 622.24
https://doi.org/10.24411/2310-8266-2019-10104
Создание и развитие практики химической обработки буровых промывочных жидкостей для повышения эффективности нефтедобычи
Г.А. Тептерева1, С.Ю. Шавшукова1, И.А. Четвертнева2
1 Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450062, г. Уфа, Россия E-mail: [email protected]
E-mail: [email protected]
2 ООО «Сервисный центр СБМ», 119330, Москва, Россия E-mail: [email protected]
Резюме: В статье в историческом аспекте рассмотрены этапы создания и развития способа регулирования свойств буровых растворов, заключающегося в введении в них химических реагентов, названного химической обработкой буровых промывочных жидкостей. В процессе бурения нефтяной скважины нарушается устойчивость ее стенок, возникает опасность их обрушения. Чтобы предупредить обрушение, в состав бурового раствора вводят специальные химические реагенты (гуминовые кислоты, танниды, лиг-носульфонаты), позволяющие обеспечить устойчивость технологических параметров процесса бурения. Рассмотрена история применения химических реагентов в составе буровых промывочных жидкостей. Показаны перспективы применения лигносульфо-натов - поверхностно-активных веществ, используемых в качестве сырьевой основы для получения эффективных отечественных реагентов для нефтепромысловой химии. Ключевые слова: промывочные жидкости, бурение, химические реагенты, буровой раствор, гуминовые кислоты, лигносульфонаты, танниды.
Для цитирования: Тептерева Г.А., Шавшукова С.Ю., Четвертнева Н.А. Создание и развитие практики химической обработки буровых промывочных жидкостей для повышения эффективности нефтедобычи // НефтеГазоХимия. 2019. № 1. С. 25-27. D0I:10.24411/2310-8266-2019-10104
THE DEVELOPMENT OF CHEMICAL PROCESSING DRILLING FLUIDS TO INCREASE THE EFFICIENCY OF OIL PRODUCTION
Galina А. Teptereva1, Svetlana Yu. Shavshukova1, Irina A. Chetvertneva2,
1 Ufa State Petroleum Technological University, 450062, Ufa, Russia E-mail: [email protected]
E-mail: [email protected]
2 ООО «Сервисный Центр СБМ», 119330, Москва, Россия E-mail: [email protected]
Abstract: The article deals with the historical aspects of the stages of creation and development of the method of regulation of drilling fluids properties, which consists in the management of chemical reagents, called chemical treatment of drilling fluids. In the process of drilling an oil well, the stability of its walls is violated, there is a danger of their collapse. To prevent the collapse, a special chemical reagents (humic acids, tannins, lignosulfonates) are introduced into the drilling fluid to ensure the stability of the technological parameters of the drilling process. The history of application of chemical reagents in the composition of drilling fluids is considered. The prospects of application of lignosulfonates - surfactants used as a raw material basis for the production of effective domestic reagents for oil-field chemistry are shown. Keywords: flushing fluids, drilling, chemicals, drilling mud, humic acid, lignosulfonates, tannins.
For citation: Teptereva G.A., Shavshukova S.Yu., Chetvertneva I.A. THE DEVELOPMENT OF CHEMICAL PROCESSING DRILLING FLUIDS TO INCREASE THE EFFCIENCY OF OIL PRODUCTION. Oil & Gas Chemistry. 2019, no. 1, pp. 25-27.
DOI:10.24411/2310-8266-2019-10104
Процесс бурения нефтяных скважин связан с постоянным риском возникновения осложнений и в случае неоперативной их ликвидации - авариями. Для предотвращения осложнений необходимо принимать ряд превентивных мер, одной из которых является обоснованный выбор бурового раствора в качестве технологической среды, в которой происходит разбуривание горных пород. Буровые растворы - это сложные многокомпонентные системы, и разработка их состава является важной составляющей технологии бурения нефтяных и газовых скважин. Придание буровым растворам заданных свойств достигается путем их обработки специальными химическими реагентами.
История возникновения термина «буровой раствор» насчитывает более 2000 лет. Еще в Древнем Китае для удаления выбуренной илистой массы применяли смачивание забоя скважины водой [1].
С изменением способа бурения скважин с ударного на вращательный появилось понятие «промывочная жидкость». В 1833 году французский инженер М. Фовель заметил, что в процессе ударно-канатного бурения фонтанирующая вода очень эффективно удаляет буровой шлам из скважины, что послужило идеей создания аппарата, которым вода закачивалась под буровую штангу, а выбуренный шлам выносился водой на поверхность между буровой штангой и стволом скважины. С 1846 года этот способ прочно вошел в практику бурения, и принцип его остается неизменным по сей день [2].
Наибольшее развитие теория и практика применения буровых растворов получили в XX веке в связи с бурным развитием науки и техники бурения.
Первый этап в развитии и совершенствовании теории применения промывочных жидкостей в практике бурения
1 • 2019
НефтеГазоХимия 25
#- ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПРОДУКТЫ
скважин, который относится к первому 20-летию XX века, связан с общенаучными методами эмпирического познания (наблюдение и эксперимент). Хотя первый патент на состав бурового раствора получен А. Краузе и М. Чепменом еще в 1887 году, первые научные публикации по исследованию свойств буровых жидкостей появились только в 1914 году (А. Хеггман и Д. Поллард). В 1916 году получили известность публикации А. Льюиса и В. Мак-Мюррея, в которых появилось понятие «промывочная жидкость», а также были рассмотрены осложнения в виде газопроявлений, осыпей и обвалов стенок скважин и меры по их предупреждению. Но до практического применения предложенных Б. Стро-удом различных реагентов-утяжелителей и технологии их приготовления прошло еще десятилетие [3].
К тому времени был накоплен практический опыт регулирования свойств глинистых суспензий путем применения углекислых солей (кальцинированной соды), солей ортофосфорной и кремниевой кислот (фосфатов и силикатов), положено начало изучению влияния электролитов и различных наполнителей, препятствующих поглощению промывочной жидкости.
В России в начале XX века с развитием горного дела совершенствовалось техническое оснащение буровых работ, появилась технология вращательного бурения. 1920-е годы - это второй этап развития практики применения буровых промывочных жидкостей, связанный с совершенствованием методов роторного бурения. Переход к вращательному способу бурения с непрерывной очисткой скважин от выбуренного шлама циркулирующим потоком жидкости обусловил появление современных терминов «глинистый раствор», «промывочный раствор», «промывочная жидкость».
Следующим шагом на пути совершенствования техники и технологии бурения стало применение в 1929 году в промывочных жидкостях специальных добавок, таких как каустическая сода и алюминат натрия. В этом же году Х.Г. Кросс и Г. Харт получили патент на использование бентонитовых глин с окисью магния в качестве добавки для улучшения структурных свойств буровых растворов [3].
Третий этап в развитии технологии буровых растворов, для которого характерны комплексные научные исследования и промышленные испытания разработанных составов буровых растворов, относится к 1930-1940-м годам. В этот период благодаря работам П.А. Ребиндера по физико-хи-мии дисперсных систем и поверхностных явлений получила признание теория о буровых промывочных жидкостях как дисперсных системах [4]. Этому способствовало появление ряда научных работ по регулированию и стабилизации свойств буровых растворов электролитами, используемыми в качестве защитных коллоидов. Тогда же было выяснено, что спонтанный рост вязкости глинистых суспензий можно ограничивать путем введения в состав промывочных жидкостей веществ растительного происхождения, используемых в дубильной промышленности - таннидов [5].
В настоящее время буровой раствор, с учетом его физико-химических свойств и практического опыта применения, можно охарактеризовать как дисперсную систему, содержащую выбуренную горную породу и ряд химических реагентов природного или синтетического происхождения. К ним относятся природные танниды - вещества, входящие в состав растительных дубителей (квебрахо, сумах), гуминовые кислоты (бурые угли и торфы), сульфитцеллюлозный экстракт (сульфит-спиртовая барда, лигносульфонаты). Экстракты таннидов являются дорогостоящим продуктом, поэтому их использование в буровой технологии с целью снижения вязкости глинистых суспензий является экономически неоправданным.
В связи с этим в 1930-х годах перед химической промышленностью СССР, а также перед специалистами в области
бурения скважин была поставлена задача замены дорогостоящих дубильных экстрактов отечественными аналогами. В 1935-1937 годах по результатам исследований В.С. Баранова и З.П. Букс [6] в буровых растворах стали использовать гуматы, полученные из содержащихся в буром угле и торфе таннидов гуминовых кислот. Данные углеще-лочной (УЩР) и торфощелочной (ТЩР) химические реагенты стали использовать для снижения вязкости и фильтрации буровых промывочных жидкостей.
До конца 1930-х годов термина «лигносульфонат» не существовало, вместо него употребляли выражение «сульфитцеллюлозный экстракт». Этот продукт получали из сульфитцеллюлозного щелока - отхода бумажного производства. В 1937 году в АзНИИ научными сотрудниками П.З. Швейцер и Е.А. Яичниковой были предприняты первые попытки применения сульфитцеллюлозного щелока как гидрофобизатора для борьбы с обвалами горных пород. Сульфитцеллюлозный экстракт (современные названия: сульфит-спиртовая барда, ССБ, сульфитный щелок) оказался удовлетворительной альтернативой щелочному раствору дубильного экстракта [7].
В 1935-1937 годы в работах В.С. Баранова, Г. Лаутона, Г. Грея была доказана возможность создания буровых растворов с необходимыми для конкретных условий бурения свойствами путем химической обработки промывочных жидкостей такими реагентами, как природные танниды, щелочные гуматы, щелочной крахмал, солестойкая глина, сульфитщелочные отходы (лигносульфонаты). Исследованиям состава, свойств и способов регулирования параметров промывочных жидкостей посвящены труды советских ученых К.А. Царевича, Р.И. Шищенко [8].
Период 1950-1960-х гг. можно назвать четвертым этапом в истории буровых растворов, когда активные исследования в данной области проводились под руководством Р.И. Шищенко - крупного ученого в нефтегазовой области, основоположника гидравлики глинистых и цементных растворов в Советском Союзе, изучавшего реологические свойства буровых растворов на основе приложения уравнения Шведома-Бингама [6].
В 1970-80 годы на основе исследований А.Х. Мирзаджан-заде [9], М.К. Сеид-Рза, М.А. Хасаева и Р.А. Гасанова было доказано, что эффективность бурения во многом зависит как от конструкции скважины, так и от характеристик бурового раствора, в связи с чем возникло направление исследований по приданию буровым растворам заданных технологических свойств, ознаменовавшее пятый этап истории развития буровых промывочных жидкостей. В этот период в нашей стране при бурении скважин начали использовать полимерные буровые растворы, которые ранее успешно применялись в США. Внедрение в практику буровых полимерных растворов основано на трудах Э.Г. Кистера, Г.Д. Дедусенко, Р.С. Ахмадеева, Н.Н. Крысина, М.И. Лип-кеса, А.М. Нацепинской, У.А. Скальской, А.У. Шарипова, А.И. Пенькова, М.К. Турапова, К.Л. Минхайрова, И.Ю. Ха-риева, Б.А. Андресона и др. Использовались такие полимеры, как гипан, ГПАА, метас, реагент К-4, ингибирующие добавки, некоторые отходы химических и металлургических производств [10].
Для последнего 20-летия XX века (шестой этап) характерно активное внедрение средств и методов химической обработки буровых промывочных жидкостей. В эти годы было создано множество новых реагентов, среди которых наибольшее практическое значение прибрели коллоидные системы защитного действия: акриловые полимеры, карбоксиметилцеллюлоза, конденсированная сульфит-спиртовая барда, окисленный лигнин, модифицированный крахмал, хромлигносульфонаты и др.
26 НефтеГазоХимия
1 •2019
НАШ САЙТ В ИНТЕРНЕТЕ: WWW.NEFTEGAZOHIMIYA.RU
1ИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПРОДУКТЫ
Химические реагенты, используемые в настоящее время для приготовления рабочих буровых растворов, можно разделить на следующие группы: реагенты неорганической природы; природные реагенты на основе гуматов и лигнина; полифенольные соединения; полисахаридные реагенты; синтетические полимерные реагенты. Существуют классификации реагентов по их функциональному назначению: понизители вязкости, фильтрации, структуро-образователи, пеногасители и др.; по отношению к уровню минерализации; температурному интервалу и др., многие реагенты обладают многофункциональными свойствами. При этом общим свойством для любых реагентов является присутствие в их макромолекуле функциональных групп с нуклеофильными свойствами. Механизм действия реагентов заключается в образовании лиофильных сорбционных слоев и разрушении скоагулированных структур, большинство из них также обладают ингибирующим действием и способны снижать водоотдачу исходного глинистого раствора. Указанные свойства в значительной степени присущи полифенольным реагентам, отечественным реагентам на основе лигнина - лигносульфонатам различных марок, модифицированным поливалентными катионами: КССБ-4 , КССБ-5, ФХЛС, ФХЛС-Б, ФХЛС-М, ФХЛС-МН, ок-зил; бесхромовым реагентам на лигнополимерной основе (Лигнопол-МФ, Лигносил, КССБ-Н); реагентам на основе полисахаридов (крахмалов, камедей и др.), полимерам на основе фосфоновых комплексов и кремнийорганических соединений с ингибирующими свойствами [11].
В настоящее время в области производства химических реагентов для нефтепромысловой химии стоят задачи по-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кистер Э.Г. Химическая обработка буровых растворов. М.: Недра, 1972. 392 с.
2. Тептерева Г.А., Шавшукова С.Ю. Эволюция промывочных жидкостей // Современная наука: актуальные проблемы теории и практики. Сер.: Гуманитарные науки. 2017. № 8. С 44-46.
3. Грей Дж.Р., Дарли Г.С. Состав и свойства буровых агентов (промывочных жидкостей). М.: Недра, 1985. 509 с.
4. Тептерева Г.А., Шавшукова С.Ю., Удалова Е.А., Конесев В.Г. Этапы становления научной школы П.А. Ребиндера // История науки и техники. 2018. № 9. С. 46-50.
5. Блажей А., Шутый Л. Фенольные соединения растительного происхождения. М.: Мир, 1977. 239 с.
6. Тептерева Г.А. Становление и развитие производства лигносульфонатов и их применение в нефтехимии: моногр. Уфа: Изд-во УГНТУ, 2018. 109 с.
7. Гаврилов Б.М. Лигнополимерные реагенты для буровых растворов. Крас-
REFERENCES
1. Kister E.G. Khimicheskaya obrabotka burovykh rastvorov [Chemical treatment of drilling fluids]. Moscow, Nedra Publ., 1972. 392 p.
2. Teptereva G.A., Shavshukova S.YU. Evolution of washing liquids. Sovremennaya nauka: aktual'nyye problemy teorii i praktiki. Seriya Gum. Nauki, 2017, no. 8, pp. 44-46 (In Russian).
3. Grey Dzh.R., Darli G.S. Sostavisvoystva burovykh agentov (promyvochnykh zhidkostey) [Composition and properties of drilling agents (flushing fluids)]. Moscow, Nedra Publ., 1985. 509 p.
4. Teptereva G.A., Shavshukova S.yU., Udalova Ye.A., Konesev V.G. Stages of formation of the scientific school of P. Rebinder. Istoriya naukii tekhniki, 2018, no. 9, pp. 46-50 (In Russian).
5. Blazhey A., Shutyy L. Fenol'nyye soyedineniya rastitel'nogo proiskhozhdeniya [Phenolic compounds of plant origin]. Moscow, Mir Publ., 1977. 239 p.
6. Teptereva G.A. Stanovleniye i razvitiye proizvodstva lignosul'fonatovi ikh primeneniye vneftekhimii [Formation and development of production of lignosulfonates and their use in petrochemistry]. Ufa, UGNTU Publ., 2018. 109 p.
вышения эффективности использования и сокращения расхода токсичных реагентов. Поэтому одним из приоритетных направлений в области разработки буровых реагентов является создание и модификация природных, биополимерных, биологически высокоадаптивных реагентов, среди которых хорошо зарекомендовали себя реагенты на основе лигносульфоната, поскольку их присутствие в буровых промывочных жидкостях способствует одновременному снижению вязкости и фильтрации бурового раствора, что значительно уменьшает риск осыпей и обвалов стенок ствола скважины и особенно актуально в современных условиях, когда большинство нефтегазовых скважин имеет сложный профиль и многокилометровое горизонтальное окончание [12].
В настоящее время ассортимент реагентов буровых растворов исчисляется тысячами наименований, среди которых материалы для приготовления бурового раствора и сотни реагентов - добавок, предназначенных для регулирования показателей бурового раствора, повышения эффективности его действия, увеличения нефтеотдачи.
В заключение необходимо отметить, что в настоящее время большое значение придается химическим реагентам отечественного производства, что в связи с курсом на замещение импортной продукции на российском рынке делает задачу создания новых буровых реагентов весьма актуальной. В частности, перспективным является вопрос расширения ассортимента буровых реагентов полисаха-ридными композициями на основе лигносульфонатов - эффективных понизителей вязкости и фильтрации буровых промывочных жидкостей.
нодар, 2004. 523 с.
8. Овчинников В.П., Аксенова Н.А. Буровые промывочные жидкости. Тюмень: Нефтегазовый университет, 2008. 309 с.
9. Мирзаджанзаде А.Х. Вопросы гидродинамики вязко-пластичных жидкостей в нефтедобыче. Баку: Азернефтнешр, 1959. 409 с.
10. Крысин Н.И., Ишмухаметова А.М., Мавлютов М.Р. и др. Применение безглинистых полимерсолевых буровых растворов. Пермь: ПермНИПИ-нефть, 1983. 63 с.
11. Тептерева Г.А., Шавшукова С.Ю., Удалова Е.А., Конесев В.Г. Исторический опыт применения поверхностно-активных веществ в отечественной нефтедобывающей промышленности в 1930-1970-х гг. // История науки и техники. 2018. № 2. С. 21-27.
12. Успех строительства нефтяных и газовых скважин. URL: http://pandia.ru/ text/77/283/90405.php (дата обращения 05.02.2019).
7. Gavrilov B.M. Ligno-polimernyye reagenty dlya burovykh rastvorov [Ligno-polymeric reagents for drilling fluids]. Krasnodar, 2004. 523 p.
8. Ovchinnikov V.P., Aksenova N.A. Burovyyepromyvochnyyezhidkosti [Drilling fluids]. Tyumen, Neftegazovyy universitet Publ., 2008. 309 p.
9. Mirzadzhanzade A.KH. Voprosygidrodinamiki vyazko-plastichnykh zhidkostey v neftedobyche [Questions in hydrodynamics of visco-plastic liquids in oil production]. Baku, Azerneftneshr Publ., 1959. 409 p.
10. Krysin N.I., Ishmukhametova A.M., Mavlyutov M.R. Primeneniye bezglinistykh polimersolevykh burovykh rastvorov [Use of clay-free polymer salt drilling fluids]. Perm, PermNIPIneft' Publ., 1983. 63 p.
11. Teptereva G.A., Shavshukova S.YU., Udalova Ye.A., Konesev V.G. The historical experience of the use of surface-active substances in the domestic oil industry in the 1930-1970s. Istoriya nauki tekhniki, 2018, no. 2, pp. 21-27 (In Russian).
12. Uspekh stroitel'stva neftyanykh igazovykh skvazhin (The success of the construction of oil and gas wells) Available at: http://pandia.ru/ text/77/283/90405.php (accessed 05 February 2019).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
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.
Четвертнева Ирина Амировна, к.т.н., руководитель, ООО «Сервисный Центр СБМ» Волго-Уральского региона.
Galina А. Teptereva, Cand. Sci. (Chem.), Assoc. Prof. Ufa State Petroleum Technological University
Svetlana YU. Shavshukova, Dr. Sci. (Tech.), Prof. Ufa State Petroleum Technological University
Irina A. Chetvertneva, Cand. Sci. (Tech.), Head of the Volga-Ural region of LLC SBM Service Center.
1 • 2019
НефтеГазоХимия 27
