Влияние смазочных добавок на характеристики буровых растворов Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Е. К. Нискулов (вед. инж.), О. В. Попова (н.с.), А. А. Суслова (н.с.),

В. Н. Хлебников (д.т.н., зав. лаб.), В. А. Винокуров (д.х.н., проф., зав. каф.),

П. А. Гущин (к.т.н., с.н.с.)*

Влияние смазочных добавок на характеристики буровых растворов

Российский государственный университет нефти и газа имени И. М. Губкина, кафедра физической и коллоидной химии 119991, г. Москва, Ленинский пр, 65; тел. 8(499)2339022, e-mail: vssh@mail.ru Некоммерческое партнерство «Технопарк Губкинского университета»

119296, г. Москва Ленинский пр, 63/2 к. 1; тел. 8(499)2339589, e-mail: guschin.p@mail.ru

E. K. Niskulov, O. V. Popova, A. A. Suslova, V. N. Khlebnikov, V. A. Vinokurov, P. A. Gushchin*

Lubricants additives effect on the drilling solution characteristics

Gubkin Russian State University of Oil and Gas 65, Leninskii Pr, 119331, Russia, Moscow; ph. (499)2339022, fax (499)1358895, e-mail: vssh@mail.ru

Gubkin University Technopark 63/2, Leninskii Pr, 119296, Russia, Moscow; ph. (499)2339589

Тестирование четырех смазочных добавок в условиях глинисто-полимерного и безглинистого биополимерного буровых растворов показало, что смазочные добавки могут являться «активными» компонентами раствора, т. е. могут заметно влиять на структурно-механические и тиксотропные свойства буровых растворов, а также на водоотдачу, что объясняется их адсорбцией на поверхности твердых частиц в растворе (глины или мрамора).

Ключевые слова: буровые растворы на водной основе; лубрикант; реология.

Testing of the four lubricants additives in polymer clay and without clay-biopolymer drilling fluids showed that lubricating additives can be «active» components of the solution, that can significantly affect on the structural and mechanical properties of thixotropic mud, as well as water yield, which is explained their adsorption on the surface of solid particles in the solution (clay or marble).

Key words: water-based drilling fluids; lubricant; rheology.

Смазочные добавки являются необходимым компонентом промывочного раствора для бурения глубоких и горизонтальных скважин. В литературе отмечается, что возможность бурения скважин с горизонтальными участками большой протяженности в значительной степени зависит от качества применяемых смазочных добавок (лубрикантов) 1-3.

Лубриканты принято рассматривать как достаточно инертные добавки к буровым растворам. Испытание смазочных добавок обычно проводят с использованием глинистых буровых растворов 2,4, хотя данные реагенты сейчас включаются в состав практически всех буровых растворов, в том числе и на углеводородной основе.

Целью работы являлось тестирование смазочных добавок отечественного и иностранного производства с использованием двух ти-

Дата поступления 03.06.12

пов составов (глинисто-полимерного и биопо-лимерного безглинистого), а также исследование их влияния на основные характеристики (реологию и фильтратоотдачу) бурового раствора.

Материалы и методы исследования

Эксперимент проводили с использованием стандартных методик АР1 для исследования буровых растворов на водной основе с использованием приборов фирмы ОР1ТЕ (вискозиметр модель 900, пресс-фильтр низкого давления, тестер смазочной способности). Для характеристики свойств буровых растворов использовали: пластическую вязкость (РУ), предельное динамическое напряжение сдвига (УР), статические напряжения сдвига через 10 и 600 с (соответственно, 010, и 0б00), фильтратоотдачу (водоотдачу) и коэффициент смазывающей способности (Ксмазки) с использовани-

ем пары «металл-металл» в среде водного бурового раствора 5.

В работе тестировали лубриканты марок Radiogreen EBO, ФК-2000, БTА-ЛУБ и Q-Drill и исследовали влияние смазочных добавок на реологические характеристики бурового раствора и водоотдачу. Эксперимент проводили при 20±2 оС. Состав использованных растворов, результаты эксперимента приведены в табл. 1, 2 и на рис. 1, 2.

Рис. 1. Влияние смазочных добавок на коэффициент смазывающей способности в системе «металл-металл» (глинисто-полимерный раствор)

Концентрация смазочной добавки, г/л

Рис. 2. Влияние смазочных добавок на коэффициент смазывающей способности в системе «металл-металл» (безглинистый биополимерный раствор):

1 - Кайюдтввп ЕВО, 2 - БТА-ЛУБ, 3 - ФК-2000.

Результаты и их обсуждение

Результаты тестирования смазочных добавок в глинисто-полимерных растворах.

Смазочные добавки различно влияют на смазочные характеристики (Ксмазки) бурового раствора. В случае БTА-ЛУБ и ФК-2000 наблюдается минимум на кривой зависимости коэффициента смазывающей способности от концентрации лубриканта при концентрации 30 г/л. Q-Drill улучшает смазочные характеристики раствора только при концентрации 30 г/л, а Radiogreen EBO ухудшает смазочные характеристики бурового раствора при всех изученных концентрациях (табл. 1, рис. 1). По результатам исследования испытанные лубрикан-ты можно расположить в следующий ряд: БTА-ЛУБ > ФК-2000 > Q-Drill > Radiogreen EBO.

Влияние смазочных добавок на характеристики глинисто-полимерных бурового раствора. Качественное исследование показало, что добавка ФК-2000 ухудшает стабильность глинисто-полимерного раствора. При стоянии наблюдается постепенное осаждение глины, что не наблюдается в случае растворов с добавками БTА-ЛУБ, Q-Drill и Radiogreen EBO.

Исследование влияния смазочных добавок на основные характеристики буровых растворов показало следующее (табл. 1). По мере роста концентрации БTА-ЛУБ незначительно уменьшается фильтратоотдача и пластическая вязкость растворов. Предельное напряжение сдвига и тиксотропия растворов заметно увеличивается только при концентрации добавки равной 10 г/л.

Добавка ФК-2000 практически не влияет на водоотдачу раствора и уменьшает пластическую вязкость. ФК-2000 значительно (с 9.4 до 3.3—3.8 Па) снижает предельное динамическое напряжение сдвига и тиксотропные свойства раствора. Именно уменьшение структурной вязкости и тиксотропии растворов объясняет уменьшение седиментационной устойчивости растворов. По-видимому, ФК-2000 адсорбируется на поверхности глинистых частиц, что первоначально уменьшает их взаимодействие в растворе. В дальнейшем, по мере роста концентрации добавки, и увеличения степени заполнения поверхностного слоя глинистых частиц компонентами ФК-2000, структуро-образование в растворе постепенно усиливается.

Radiogreen ЕВО оказывает небольшое влияние на водоотдачу и пластическую вязкость растворов. Radiogreen увеличивает предельное динамическое напряжение сдвига и тиксотропные параметры раствора. Tаким об-

разом, данный реагент способствует образованию структур в полимерно-глинистом растворе.

Q-Drill не оказывает заметного влияния на пластическую вязкость раствора и фильтратоот-дачу. Данный реагент уменьшает предельное напряжение сдвига и оказывает сложное влияние на тиксотропные характеристики раствора (сложно влияет на 010 и увеличивает 0600).

Все исследованные реагенты оказывают относительно небольшое влияние на пластическую вязкость и водоотдачу растворов. Реагенты Radiogreen и ФК-2000 различаются по своему влиянию на структурные характеристики глинисто-полимерного бурового раствора. Первый реагент усиливает структурно-механические свойства растворов, а ФК-2000 их уменьшает. Реагент БТА-ЛУБ, который представляет собой компаунд из Radiogreen и ФК-2000, оказывает минимальное влияние на параметры бурового раствора, т. е. является достаточно «инертной» добавкой для глинисто-полимерного раствора. При этом добавка БТА-ЛУБ проявляет лучшие смазывающие характеристики в глинисто-полимерном растворе.

Результаты тестирования смазочных добавок в безглинистом биополимерном растворе (рис. 2). Для исследованного безглинисто-го биополимерного раствора лучшими смазочными характеристиками обладает добавка ФК-2000. Данный лубрикант при концентрации 20 г/л и выше обеспечивает снижение смазочного коэффициента до значений менее 0.1. Второе место по эффективности занимает композиционная добавка БТА-ЛУБ, а Radiogreen ЕВО показал худшие результаты (рис. 2).

Сопоставление результатов тестирования смазочных добавок в глинисто-полимерном и безглинистом биополимерном растворах показывает, что лучшими добавками для обоих типов растворов являются БТА-ЛУБ и ФК-2000. Однако степень снижения коэффициента смазочной способности в разных растворах для одного и того же лубриканта различна. Причина этого заключается в свойствах прочих компонентов бурового раствора. Исходные растворы (в отсутствие смазочной добавки) значительно различаются по смазочным характеристикам: бездобавочные глинисто-полимерный и безглинистый растворы имеют значения Ксмазки равные, соответственно, 0.356 и 0.209. Более того, биополимерный раствор без добавки смазки показывает более низкое значение Ксмазки, чем глинисто-полимерный состав с лучшей смазочной добавкой (БТА-ЛУБ). По-видимому, роль эффективной «смазочной до-

бавки» в безглинистом биополимерном растворе выполняет крахмальный реагент. Таким образом, компоненты раствора могут оказывать значительное влияние на смазочные характеристики, часто более существенное, чем добавленные лубриканты.

Влияние смазочных добавок на характеристики безглинистого биополимерного бурового раствора. Введение БТА-ЛУБ в безгли-нистый раствор заметно увеличивает водоотдачу (фильтрацию) раствора, т. е. добавка влияет на плотность и скорость образования фильтрационной корки. Пластическая вязкость растворов увеличивается по мере роста концентрации БТА-ЛУБ. Предельное динамическое напряжение сдвига и тиксотропия растворов также заметно увеличиваются с ростом концентрации данного лубриканта. Таким образом, БТА-ЛУБ, который являлся наиболее «инертной» добавкой для глинисто-полимерного раствора, является достаточно активной добавкой для безгли-нистого биополимерного раствора. По-видимому, это связано с сорбцией компонентов реагента на мелкодисперсном мраморе.

Лубрикант ФК-2000 оказывает малое влияние на водоотдачу и пластическую вязкость раствора, несколько увеличивая оба этих параметра. На предельное динамическое напряжение сдвига и тиксотропные свойства раствора ФК-2000 оказывает сложное влияние. При концентрации около 10 г/л ФК-2000 наблюдается явный максимум на зависимостях YP, 010, и 0600 от концентрации смазочной добавки. Таким образом, ФК-2000 также является активной добавкой к безглинистому буровому раствору, и влияет не только на смазочные его характеристики.

Лубрикант Radiogreen EBO уменьшает (незначительно) водоотдачу раствора, а не увеличивает ее. Также как и БТА-ЛУБ, Radiogreen увеличивает предельное динамическое напряжение сдвига и тиксотропные характеристики раствора. Radiogreen оказывает сложное влияние на пластическую вязкость (на зависимости PV от концентрации добавки наблюдается как увеличение, так и небольшое снижение пластической вязкости раствора).

Влияние солевого компонента на характеристики безглинистого биополимерного бурового раствора. В табл. 2 приведены результаты исследования безглинистых ингибированных растворов, для приготовления которых вместо хлорида натрия использовали хлорид калия. Обнаружено, что замена в составе раствора хлорида натрия на хлорид калия не

оказывает заметного влияния на свойства раствора и его смазочные характеристики (исследование проводили при концентрации лубри-канта, равной 30 г/л для всех трех реагентов).

Смазочные добавки представляют собой сложные смеси химических соединений, их обычно получают из отходов пищевой и химической промышленности. Отсутствие данных о составе лубрикантов не позволяет делать научно обоснованных выводов о физико-химических механизмах их влияния на свойства бурового раствора. Однако проведенный эксперимент показал, что смазочные добавки могут являться довольно активными компонентами бурового раствора и влияют не только на смазочные характеристики промывочной жидкости. Наибольшее действие лубриканты оказывают на структурно-механические и тиксот-ропные свойства раствора, а также на фильтра-тоотдачу. Причиной данного явления является адсорбция компонентов смазочных добавок на поверхности твердых частиц в растворе. Снизить влияние смазочных добавок — реологические характеристики и водоотдачу (т. е. «активность» смазок) можно путем их компаундирования.

Проведенное исследование показало, что к результатам модельного тестирования смазочных добавок нужно относиться с определенной осторожностью. Хорошие качества лубриканта в условиях одного бурового раствора могут не проявиться в составе бурового раствора иного типа и состава. Кроме того, необходимо учитывать, что некоторые компоненты бурового раствора также обладают высокими смазочными характеристиками.

Литература

1. Янсен М. // Бурение и нефть.— 2010.— №3.— С. 48.

2. Стадухин А. В. Исследование и разработка технологии применения смазочных добавок для бурения наклонно направленных скважин с горизонтальным окончанием: Автореф. ... канд. техн. н.— Тюмень, 2006.— 24 с.

3. Мойса Ю. Н., Фролова Н. В., Бармотин К. С., Бородин А. М. // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море.— 2007.— №3.- С.10.

4. Мойса Ю. Н., Фролова Н. В., Бармотин К. С., Бородин А. М. // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море.- 2007.-№3.- С.24.

5. Дж. Р. Грей, Г. С. Г.Дарли. Состав и свойства буровых агентов (промывочных жидкостей).-М.: Недра, 1985.- 509 с.

Исследование проводится в рамках Федеральных целевых программ «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009—2013 гг.» и «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007—2013 гг.»