CC BY
118
УПРАВЛЕНИЕ ПОВЕДЕНИЕМ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ СКВАЖИН С ПРИМЕНЕНИЕМ НАНОТЕХНОЛОГИЙ
Д.В. Люгай, З.З. Шарафутдинов
Развитие современной науки и техники определило новый подход к управлению свойствами различных материальных объектов - нанотехнологии. Прогнозируется, что их применение позволит осуществить новый качественный рывок в технике и технологиях. Для специалистов, занимающихся вопросами технологии строительства скважин, появляется вопрос о возможности применения нанотехнологий для решения проблем, возникающих при строительстве и эксплуатации скважин.
Успешность строительства нефтегазодобывающих скважин, безаварийная эксплуатация и возможность проведения мероприятий по интенсификации отбора углеводородных флюидов определяется техническим состоянием ее крепи. Опыт строительства и эксплуатации скважин показывает, что использование известных технических решений нередко влечет за собой низкое качество разобщения пластов, разрушение и потерю крепи скважины. Это говорит о том, что существующие подходы к формированию свойств технологических жидкостей в виде буровых и тампонаж-ных растворов не всегда позволяют успешно решать технические проблемы строительства скважин в интервалах, представленных неустойчивыми глинистыми отложениями, повышенными температурами, высокой агрессивностью пластовых флюидов и т.д.
Разработка новых подходов к управлению свойствами буровых и тампонажных растворов в сложных горно-геологических условиях во многом осложнена недостаточной изученностью измене-
ния свойств компонентов буровых и тампонажных растворов на их технические свойства. Поэтому необходимо направленно управлять состоянием компонентов буровых и тампонажных растворов для предотвращения различных осложнений в строительстве и длительной эксплуатации скважин, обеспечения максимальной отдачи углеводородов из продуктивного пласта. Для этого рассмотрим возможности применения нанотехнологий в буровых и тампонажных растворах при строительстве скважин с целью обеспечения требуемого качества строительства скважин.
Нанотехнологии - это комплекс методов работы с объектами, обладающими характеристическим размером менее 100 нанометров. Объектами нанотехнологий являются: нанопорошки; нанотрубки, нановолокна; нанопленки; наночастицы, формирующие макрообъекты и сами макрообъекты, атомарная структура которых создается с разрешением на уровне отдельных атомов, молекул и их кластеров.
Применение нанотехнологий позволяет решать задачи управления свойствами макрообъектов путем реализации способности атомов, молекул группироваться и самоорганизовываться с созданием новых материалов или придания новых свойств известным материалам. Проблемой самоорганизации молекул или их кластеров в структуры, имеющие новые свойства по сравнению с исходными молекулами, занимается раздел химии - супрамолекулярная химия [1].
Супрамолекулярная (надмолекулярная) химия. Все виды межмолекулярных сил находятся в диалектической взаимосвязи друг с другом. Примером диалектической взаимосвязи между действием известных сил в реальных веществах являются соединения включения (клатраты, аддукты, раствор внедрения).
Соединения включения - это надмолекулярные образования, формирующиеся путем включения молекул (крупных ионов), называемых гостями, в полости структурированного каркаса из молекул другого сорта (или в полость одной большой молекулы), называемых хозяевами, без образования какой-либо специфической химической связи между ними. Наполнители (гости), заключенные в каркас хозяина, сохраняют свою химическую индивидуальность, равно как и хозяин. Их образование обусловлено благоприятной
пространственной комплементарностью реагирующих компонентов, поэтому даже при наличии только слабых дисперсионных взаимодействий между их компонентами они способны в значительной степени упрочнять химические связи, повышать стабильность структурных агрегатов, сложенных на основе этих связей [1].
Фундаментальной проблемой современной химии является направленное конструирование супрамолекулярных соединений с заданной структурой и свойствами. Жесткая структура из малоразмерных молекул хозяина формирует многоразмерные полости. Отсутствие возможности заполнить все приводит к тому, что дисперсионные силы, требуя плотной упаковки от структуры, состоящей из молекул хозяина, разрушают структуру хозяина или переупаковывают ее с изменением состава соединения. Равновесие достигается только при таком соответствии структурных размеров полости хозяина и молекул наполнителя-гостя, что ведет к упрочнению связей внутри хозяйской сетки. Отсутствие компромисса между действием дисперсионных и химических сил является причиной ослабления связей в структуре хозяина, формирует пластичные структуры или приводит к распаду в случае нарушения термодинамических условий существования.
Таким образом, процессом образования соединений включения, его составом и свойствами можно управлять подбором размера гидратообразующего наполнителя на этапе их формирования. К параметрам управления относятся: скорость образования структуры хозяина, наличия конкурентного наполнителя, а также термодинамические условия образования соединений.
Глина, глинистые отложения - предмет приложения нанотехнологий. Пути реализации нанотехнологий для управления состоянием глины. Рассмотрим свойства и поведение глины. В большинстве технических подходов, определяющих методы управления поведением глины, ее характеризуют минеральным составом [2-6]. Описания структуры глинистых минералов [2-4] построено на положениях, не допускающих их применение по отношению к условиям образования глины и свойствам химических связей [7]. Существующие представления о глине [2, 5, 6] не позволяют выработать строгий инженерный подход к описанию ее свойств на основании знаний о структуре.
С целью снятия противоречий в представлениях о структуре глин предлагается рассматривать ее как соединение включения [7], где частица глины представляет собой тесное переплетение двух независимых объемных структур на основе полимерных гидратов кремния и глинозема (магния, кальция, железа и др.). Исходя из данного определения ядро частицы глины сложено полимерными гидратами кремния и глинозема (магния, кальция, железа и др.), а ее поверхность представлена гидросиликатной оболочкой. Свойства глины определяются качеством заполнения внутренней структуры полимерного гидрата кремния, его содержанием, а также количеством воды, связанного им.
Данные представления позволяют связать между собой свойства глины и ее структуру, прогнозировать поведение глины в различных термодинамических условиях, характеризующих скважину. Более подробно эти представления изложены в работе [7]. В отношении бурения скважин: предлагаемый подход к рассмотрению глины и ее свойств позволяет классифицировать ее как пластичное и непластичное вещество, количественно оцениваемое по показателю текучести в соответствии с ГОСТ 25100-95 [8].
Таким образом, элементарные частицы глины и связываемая ею вода представляют собой предмет приложения представлений супрамолекулярной химии, управление свойствами которого возможно на основе применения нанотехнологий.
В соответствии с представленным подходом при контакте бурового раствора на водной основе с глиной будет иметь место следующее явление. После всасывания воды гидросиликатной оболочкой и ее взаимодействия с водой формируется структура на основе гидратной воды, содержащей во внутренней структуре полости, которые в обычных условиях заполняются мономерами воды. Однако при наличии в составе раствора соединений, способных заполнить данные полости, происходят другие процессы. Из-за высокой полярности и агрегирующейся способности молекул воды происходит выталкивание молекул-гостей в ячейки гидратированной воды. Если при этом размеры ячейки (полости) и молекул-гостей соответствуют, т.е. если хозяин коплементарен и предорга-низован гостю, то образуются соединения включения, способные выдержать термобарические условия скважины. Образование сое-
динений включений замедляет или полностью прекращает увлажнение глин [7, 9, 10] из-за отсутствия каналов доступа для мономеров воды в глину.
Поверхность глинистых пород при наличии оптимального компромисса между дисперсионными и химическими связями способна стать гидрофобной. Механизм упрочнения воды и соответственно глины эффективно реализуется, в случае если углеводородный или малополярный наполнитель представлен спектром молекул, имеющих значительный разброс по размерам: от низкомолекулярных линейных парафинов до высокомолекулярных циклических ас-фальтенов, вплоть до макроионов органических солей, т.е. на все возможные размеры полостей в гидратных структурах воды.
Согласно рис. 1 образование соединений включения в глине уменьшает долю воды, удаляемой при сушке образцов глины. На рис. 2 и 3 даны образцы малопластичной глины, подвергнутой выдержке в водных растворах гидратообразующих соединений. На представленных снимках видно, что глина, которая легко разрушается в традиционных полимерных растворах, в растворах, содержащих гидратообразующие соединения, упрочняется.
Рис. 1. Изменение массы неиспарившихся веществ в образцах серпуховской глины в процессе сушки при 105 °С при раздельном (1) и совместном (2) использовании воды и гидратообразующего вещества
Рис. 2. Состояние образца непластичной глины после выдержки в традиционном полимерном буровом растворе
Рис. 3. Состояние непластичной глины после выдержки в составе бурового раствора, содержащего гидратообразующий наполнитель
Методы выбора гидрофильных соединений, способных стабилизировать пластичные глины, изложены в работе [7], а результаты подбора соединений, способных обеспечить устойчивость непластичных глин, - в работах [9, 10].
Тампонажный цемент - предмет приложения нанотехнологий и пути их реализации. Цементный камень в за- и межколонном пространстве скважин обладает усадочными деформациями в процессе его формирования и работы в условиях за- и межколонного пространства, а также подвержен агрессивному воздействию термобарических условий и пластовых флюидов [7, 11]. Все эти факторы повышают вероятность прорыва пластового флюида по зацементированному пространству в период эксплуатации скважин, что требует реализации специальных мероприятий по обеспечению стабильности эксплуатационных свойств цементного камня.
Усадочные деформации цементного камня в интервалах меж-колонного пространства скважин и непроницаемых пород составляют величину до 0,3 %. Усадка цементного камня усиливается при наличии в составе тампонажного раствора электролитов, полярных углеводородов (полимеров, поверхностноактивных веществ). Эти явления характерны также для пластификаторов, протекают в присутствии латексов и ряда водорастворимых смол [12].
Нахождение новых технических решений затрудняется и существующими представлениями о процессах формирования цементного камня. Природе процессов, происходящих при гидратации цемента, посвящено большое количество исследований, но механизм их гидратации и схватывания остается дискуссионным [13]. Ряд теоретических положений о процессах твердения противоречит свойствам химических связей [7], например представления о воде только как об ионно-молекулярном веществе, положения о природе процесса контракции, структуре гидратных соединений цементного камня, сил взаимосвязи в цементном геле, камне. Поэтому рассмотрим цемент и процессы, происходящие при его гидратации, взаимно увязывая между собой известные положения о гидратации цемента и представления о свойствах химических связей.
Вяжущие компоненты цемента являются солями слабых кислот и слабых оснований. Чем ниже сила кислоты и основания, тем ниже устойчивость солей по отношению к воде, и они в ее присутствии подвергаются гидролизу. Процесс гидролиза идет нацело и необратимо. Возможность гидролиза составляющих цемента определяется лишь поступлением мономеров воды к поверхности цемента.
В водной среде вяжущие компоненты цемента полностью гидролизуются и растворяются. В растворе молекулы гидроксидов полимеризуются, в результате чего образуется жесткая трехмерная структура, не растворимая в воде (т.е. образуется структурированный раствор, или соединение включения). Более подробно эти процессы описаны в работе [7]. Таким образом, соединения, слагающие цементный камень, являются предметом приложения нанотехнологий.
Управлять свойствами цементного камня можно путем изменения состава соединений, формирующих цементный камень (т.е. изменения состава и количества наполнителя в гидросиликатной (гидро алюминатной) структуре), новым и мало изученным в практической деятельности способом - наполнением гид-ратной воды цементного камня углеводородами, малополярными соединениями. Усиление неполярности связей за счет формирования гидратных соединений на основе углеводородных соединений включения в гидратной воде цементного камня позволит управлять полярностью связей в полимерах, слагающих цементный камень, а значит - управлять и его прочностными свойствами, эксплуатационной договечностью, объемными деформациями.
В практической деятельности известно применение различных смол, латексов и других полимеров [11, 12], при использовании которых можно было бы управлять полярностью связей в гидратной воде цементного камня. Однако не выявлены их значимость и технологическая эффективность по отношению друг к другу. В ряде случаев (применительно к условиям строительства скважин) подобные технические решения будут снижать необходимые эксплуатационные свойства цементного камня [12].
В связи с этим было проведено изучение влияния различных соединений, способных выступать в качестве гидратообразующих в цементном камне. Исследования показали, что гидратообразующие добавки могут действовать при небольших концентрациях (до 1-5 % в жидкости затворения цемента), т.е. являются катализаторами для упрочнения связей в цементном камне. Другие добавки отличаются тем, что они действуют в широком диапазоне концентраций, насыщая гидратную воду цементного камня в области больших концентраций (5-20 %). Также следует отметить, что
они все позволяют поднять устойчивость камня в соленасыщенных средах (рис. 4), но эффективность их действия возрастает при использовании синергетических сочетаний реагентов, различающихся по строению и размеру (рис. 5).
— формиат натрия
— ацетат натрия
— смола ЭД-4, растворенная в триэтиленгликоле
смола ЭД-20, растворенная в триэтиленгликоле
— смола ЭДП, растворенная в триэтиленгликоле
ж ВПК-402
1-С-СС-50, затворенный на насыщенном р-ре ЫаС1
Рис. 4. Прирост прочности цементного камня в соленасыщенной жидкости затворения при введении в состав раствора гидратообразующих наполнителей
Рис. 5. Прирост прочности цементного камня в соленасыщенной жидкости затворения при введении в состав раствора синергетических гидратообразующих
наполнителей
Таким образом, применение гидратообразующих веществ в составе тампонажных растворов позволяет в значительной степени поднять работоспособность цементного камня в скважинных условиях.
Приведенные примеры по реализации нанотехнологий и знание общих положений о свойствах химических связей, физической химии дает возможность высказать ряд суждений. Использование представлений о процессах формирования соединений включения позволяет вести разработку нового поколения буровых растворов на углеводородной и эмульсионной основе. Для получения подобных растворов становится возможным приготовление концентратов, а также упрощение процесса приготовления и контроля его свойств при бурении. Их применение для вскрытия продуктивного пласта позволит получать в нефтенасыщенном пласте зону закупорки, которая в последующем может быть легко разрушена, например при спиртовой обработке пласта.
Представления о процессах, происходящих при формировании соединений включения, могут использоваться и для разработки новых технологий в нефтедобыче. Так, например, явление образования клатратных структур можно использовать для обес-соливания водонефтяных эмульсий в цехах первичной подготовки нефти. В соответствии с законом Кулона при снижении диэлектрической проницаемости, которая реализуется при образовании водоуглеводородных клатратов, увеличивается взаимодействие между двумя противоположно заряженными ионами. Это обеспечивает разделение их между собой, вплоть до выпадения солей в осадок. Основой для реализации этого положения может являться известный экспериментальный факт: экспериментально газовые гидраты получают при барботировании газа через насыщенную солями воду. Это свидетельствует о том, что молекулы газа сами способны быть основой для образования клатратов. Поэтому приложение к водонефтяной эмульсии дополнительного воздействия, усиливающего у воды свойства молекулярного вещества, может привести к формированию гидратов на основе нефти и тем самым ее обессолить.
На основании этого можно сделать следующие выводы:
1. Представления супрамолекулярной химии и нанотехнологии позволяют расширить существующие представления о глине, цементном камне и найти новые методы управления их свойствами.
2. Соединения включения, формирующиеся на основе воды и гидратообразующих соединений, позволяют обеспечить устойчивость глинистых отложений при строительстве скважин и эксплуатационные свойства цементного камня в за- и межколонном пространстве.
3. Для реализации нанотехнологий в практической деятельности необходимо направленно исследовать влияние строения гидратообразующих соединений, а также другие факторы, определяющие возможность направленной сборки соединений включения в глине, цементном камне.
4. Соединения включения позволяют получать широкий спектр технических свойств материалов в различных системах, которые используются в нефтяной промышленности, повысить эффективность технологий, используемых при строительстве и эксплуатации нефтяных и газовых скважин.
Список литературы
1. Шарафутдинов 3.3. Буровые и тампонажные растворы. Теория и практика: справочник / 3.3. Шарафутдинов, Ф.А.Чегодаев, Р.З. Шарафутдинова. - СПб.: Профессионал, 2007. - 416 с.
2. Гайдаров М.М. Устойчивость глин / М.М. Гайдаров, С.А. Кравцов // Нефтяное хозяйство. - 2007. - № 10. - С.136-138.
3. Гайдаров М.М. Гидрофобная кольматация глинистых отложений /М.М. Гайдаров, Я.М. Курбанов, Р.З. Шарафутдинова // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. -М.: ВНИИОЭНГ, 2008. - № 4. - С. 30-34.
4. Данюшевский B.C. Проектирование оптимальных составов тампонажных цементов / В.С. Данюшевский. - М.: Недра, 1978. -293 с.
5. Добавки в бетон: справ. пособие / пер. с англ.; под ред.
В.С. Рамачандрана. - М.: Стройиздат, 1988. - 575 с.
6. Дядин Ю.А. Соединения включения / Ю.А. Дядин, К.А. Уда-чин, И.В. Бондарюк. - Новосибирск: Изд-во Новосиб. гос. ун-та, 1988. - 92 с.
7. Кистер Э.Г. Химическая обработка буровых растворов /
Э.Г. Кистер. - М.: Недра, 1973.
8. Куковский Е.Г. Особенности строения и физико-химические свойства глинистых минералов. - Киев: Наукова Думка, 1966.
9. Кульчицкий Л.И. Роль воды в формировании свойств глинистых пород / Л.И. Кульчицкий. - М.: Недра, 1975.
10. Белоусов В.П. Термодинамика водных растворов неэлектролитов / В.П. Белоусов, М.Ю. Панов. - Л.: Химия, 1983 - 264 с.
11. Шарафутдинов 3.3. Характеристика глин для выбора методов управления их состоянием в процессе бурения / 3.3. Шарафутдинов, Р.З. Шарафутдинова // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - М.: ВНИИОЭНГ, 2008. - № 5. -
С. 30-34.
12. Эйзенберг Д. Структура и свойства воды / Д. Эйзенберг, В. Кауцман. - Л.: Гидрометеоиздат, 1975.
13. Эрдеи-Груз Т. Явление переноса в водных растворах / Т. Эр-деи-Груз. - М.: Мир, 1976.
14. ТейлорХ.Ф. Химия цемента / Х.Ф. Тейлор; пер. с англ. - М.: Мир, 1996. - 560 с.
15. Sergio A.B. da Fontoura, Claudio Rabe, Rosana F.T. Lomba. Characterization of shales for drilling purpose // Paper SPE/ISRM 78218. - 2002 Rock.
16. Frydman M. Modeling aspects of wellbore stability in shales // SPE 69529, Latin American and Caribbean Petroleum Engineering Conference held in Buenos Aires, Argentina (25-28 March 2001); Mechanics Conference held in Irving, Texas.
