Гидрогелевый буровой раствор и способ его получения

 

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, в частности к получению буровых растворов на водной основе, и может быть использовано при бурении и освоении продуктивных пластов, при подземном и капитальном ремонте скважин. Гидрогелевый буровой раствор содержит алюмохлорид, хлорид натрия, стабилизатор, цемент в качестве затравки (в частности, цементная крошка, образующаяся в процессе разбуривания цементного моста) и воду при следующем соотношении компонентов, мас.%: алюмохлорид - 0,67-2; хлорид натрия - 0,1-20,0; стабилизатор - 1,5-3,0; цемент - 0,8-2,24; вода - остальное. Гидрогелевый буровой раствор готовят, подавая в скважину предварительно приготовленный водный раствор хлорида натрия и алюмохлорида, который смешивают с цементной крошкой, образующейся в процессе разбуривания цементного моста. Технический результат состоит в повышении качества раствора за счет повышения его стойкости к "наработке" высококоллоидальных глин при одновременном снижении расхода реагентов и использовании доступных отходов производства. Кроме того, упрощается процесс получения бурового раствора и сокращается время на его приготовление. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, в частности к получению буровых растворов на водной основе, и может быть использовано при бурении и освоении продуктивных пластов, при подземном и капитальном ремонте скважин.

Известен гидрогелевый буровой раствор, содержащий бишофит, щелочь, хлористый натрий, карбоксиметилцеллюлозу с мол. массой 600, воду и затравку, в качестве которой он содержит древесный угольный порошок фракцией от 10 до 1000 мкм, при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: Бишофит - 10,0-20,0 Щелочь - 0,2-0,5 Хлористый натрий - 15,0-21,0 Карбоксиметилцеллюлоза с мол. массой 600 - 0,5-1,5 Древесный угольный порошок - 0,1-0,5 Вода - Остальное Недостатком известного гидрогелевого бурового раствора является высокое содержание конденсированной твердой фазы получаемого бурового раствора и его высокая минерализация. Кроме того, данный буровой раствор имеет высокий показатель фильтрации, что существенно снижает его качество.

Известен способ приготовления бурового раствора, при котором осуществляют активацию затравки следующим образом. Древесный угольный порошок фракции 10-1000 мкм в виде определенной навески выдерживают в среде концентрированного раствора едкого натра в течение 20-24 ч. Затем щелочную угольную затравку вводят в насыщенный раствор бишофита плотностью 1260-1280 кг/м. Для гомогенизации при перемешивании суспензию разбавляют раствором хлорида натрия (плотностью 1900-1200 кг/м) до требуемого объема. Раствор стабилизируют КМЦ-600 в виде 5%-ного раствора в насыщенном растворе хлорида натрия [1].

Известный способ характеризуется сложностью и длительностью приготовления бурового раствора, связанной с подбором определенных фракций угольного порошка и активацией затравки в течение 20-24 ч.

Известен также способ приготовления бурового раствора из сухих порошкообразных материалов путем тщательного перемешивания частиц твердой и жидкой фазы и создания условий для полного смачивания твердых частиц. Для приготовления растворов из комовых материалов или влажных порошков необходимо предварительное дробление кусков или слипшихся комков с использованием различных механических перемешивающих устройств, например: механических двухвальных мешалок марки МГ2-4Х или фрезерно-струйных мельниц типа ФСМ (ФСМ-3, ФСМ-7) [2].

Данный способ очень трудоемок и длителен, а значит крайне неэкономичен.

Наиболее близким к заявляемому составу по назначению и совокупности существенных признаков является гидрогелевый буровой раствор [3], содержащий соль поливалентного металла, затравку, хлорид натрия, щелочной реагент, стабилизатор и воду, в качестве соли поливалентного металла он содержит алюмохлорид, а в качестве затравки - технический мел при следующем содержании компонентов, мас.%: Алюмохлорид - 1,33-2,67 Технический мел - 1,5-4,0
Хлорид натрия - 0,1-20,0
Щелочной реагент - 0,1-0,5
Стабилизатор - 1,5-3,0
Вода - Остальное
Недостатком данного состава является обязательное применение щелочных реагентов для повышения показателя рН и осаждения избытка ионов кальция, а также недостаточно высокая стойкость получаемых буровых растворов к "наработке" высококоллоидальных глин, присутствующих в геологических разрезах разбуриваемых скважин, что приводит к росту реологических показателей и, как следствие, к снижению качества раствора.

Известен способ получения гидрогелевого бурового раствора, при котором в заданное количество технической воды вводят расчетное количество технического мела и перемешивают. Затем в полученную меловую суспензию вводят алюмохлорид и вновь перемешивают до получения геля. В приготовленный коллоидный раствор вводят щелочной реагент и стабилизатор и снова перемешивают, после чего замеряют параметры полученного раствора [3]. При наличии комового мела используют дополнительные измельчающие устройства.

Недостатками данного способа получения гидрогелевого бурового раствора являются: многостадийность и длительность процесса, связанная с необходимостью продолжительного и тщательного перемешивания исходных компонентов, использование, в случае комового мела, дополнительных измельчающих устройств.

Заявляемое изобретение решает задачу повышения качества гидрогелевого раствора за счет повышения его глиноемкости при одновременном использовании отходов производства, упрощения способа и сокращения времени на приготовление раствора.

Для решения указанной задачи предлагаемый гидрогелевый буровой раствор, содержащий алюмохлорид, хлорид натрия, затравку, стабилизатор и воду, в качестве затравки содержит цемент при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Алюмохлорид - 0,67-2,0
Хлорид натрия - 0,1-20,0
Стабилизатор - 1,5-3,0
Цемент - 0,8-2,24
Вода - Остальное
а в качестве цемента он содержит цементную крошку, образующуюся в процессе разбуривания цементного моста.

Предложен также способ получения гидрогелевого бурового раствора, включающий смешивание алюмохлорида, хлорида натрия, воды и затравки с последующей стабилизацией реагентами-стабилизаторами, при котором предварительно подготовленный водный раствор хлорида натрия и алюмохлорида подают в скважину, где смешивают с цементной крошкой, образующейся в процессе разбуривания цементного моста.

Достигаемый технический результат, получаемый за счет применения в гидрогелевом буровом растворе в качестве затравки цемента в заявляемых концентрациях, состоит в том, что цемент позволяет достичь необходимых значений показателя рН без дополнительного введения щелочных реагентов, а гидрогелевые растворы на его основе за счет повышенной глиноемкости способствуют повышению качества. Буровой раствор позволяет получать как пресные, так и минерализованные в различной степени составы с низким содержанием конденсированной твердой фазы, с оптимальными технологическими показателями, которые позволяют повысить качество бурового раствора за счет повышения его стойкости к "наработке" высококоллоидальных глин при одновременном снижении расхода реагентов. Применение в качестве цемента цементной крошки, образующейся в процессе разбуривания цементного моста, позволяет обеспечить необходимые технологические показатели бурового раствора при использовании доступных отходов производства, что значительно снижает затраты на бурение нефтяных и газовых скважин. За счет сокращения количества операций упрощается процесс получения бурового раствора и сокращается время на его приготовление.

Новым в гидрогелевом буровом растворе является использование в качестве затравки цемента в заявляемой концентрации. Причем, в качестве цемента предложено использовать цементную крошку, образующуюся в процессе разбуривания цементного моста.

В заявляемом способе приготовления гидрогелевого бурового раствора новым является то, что предварительно подготовленный водный раствор хлорида натрия и алюмохлорида подают в скважину, где смешивают с цементной крошкой, образующейся в процессе разбуривания цементного моста.

В заявляемом техническом решении при приготовлении состава предварительно подготовленный водный раствор хлорида натрия и алюмохлорида подают в скважину, где смешивают с цементной крошкой, а применение в качестве затравки цемента в заявляемой концентрации или цементной крошки, образующейся в процессе разбуривания цементного моста и являющейся отходом производства, позволяет решить новую техническую задачу: упрощения способа, сокращения времени на приготовление состава и повышения качества гидрогелевого бурового раствора, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "изобретательский уровень".

Предлагаемый способ получения гидрогелевого бурового раствора в промышленных условиях осуществляют следующим образом.

Набирают в приемные емкости необходимый объем технической (пресной) или минерализованной воды, добавляют в нее расчетное количество алюмохлорида и спускают инструмент на разбуривание "цементного стакана" в колонне обсадных труб. Разбуривание осуществляют "с навеса" при минимальной нагрузке на долото. Выходящий из скважины раствор пускают по желобной системе, минуя вибросита, чтобы оставить выбуренный цемент в системе циркуляции. После разбуривания "цементного стакана" осуществляют 1-2 цикла промывки скважины для окончательного формирования конденсированной твердой фазы. Образовавшийся гель стабилизируют введением в циркуляцию расчетного количество реагента стабилизатора, например КМЦ или КМЦ и крахмала. После 1-2 циклов промывки скважины и стабилизации раствора проводят замер контрольных технологических параметров и начинают бурение.

При проведении лабораторных исследований поступают следующим образом.

Заготовленный стандартный цементный раствор оставляют в термостате для твердения на двое суток [4]. Затвердевший цементный камень измельчают до частиц диаметром 2-5 мм. В техническую (пресную) или минерализованную воду вводят алюмохлорид, а затем добавляют подготовленный цемент. Перемешивают раствор в течение 15-30 мин до образования конденсированной твердой фазы, после чего вводят реагент-стабилизатор (КМЦ или КМЦ и крахмал) и вновь перемешивают. Замеры параметров получившегося коллоид-полимерного раствора производят стандартными приборами по традиционным методикам [5].

При проведении лабораторных исследований были использованы алюмохлорид (ТУ 38.3021-63-89), цемент (ГОСТ 158191), технический мел (ГОСТ 17498-72), хлорид натрия (техническая поваренная соль - ГОСТ 4233-77), щелочные реагенты: каустическая сода (ГОСТ 2263-79), кальцинированная сода (ГОСТ 5100-85), карбоксиметилцеллюлоза КМЦ-85/700 (ОСТ 6-05-386-80), крахмал модифицированный (ГОСТ 7698-93).

Лабораторные исследования проводили следующим образом.

В техническую (пресную) или минерализованную воду вводили расчетную добавку алюмохлорида и тампонажного портландцемента. Перемешивали раствор в течение 15-30 мин до образования конденсированной твердой фазы, а затем вводили реагент- стабилизатор и вновь перемешивали. Замеры параметров получившегося раствора производили по известным методикам [5].

Пример 1. В 950 см³ технической воды вводят 50 см³ алюмохлорида и перемешивают, добавляют 1,52 г цемента (тампонажного или строительного) в виде порошкообразного высококачественного материала, либо в виде измельченного цементного камня, подготовленного согласно методике [4], и вновь перемешивают еще 10 мин. В приготовленный таким образом коллоидный раствор гидроксида алюминия вводят стабилизатор - 1,5 мас.% КМЦ-85/700. Технологические параметры раствора следующие: р=1030 кг/м³, УВ=64 с, Ф=810^-6 м³/30 мин, рН 9,7, Q_1/10=0,1/0,1 Па (табл. 1, пример 15).

Пример 2. В 400 см³ пластовой воды (минерализация по NaC1 - 24 мас.%, р= 1180 кг/м³) вводят 50 см³ алюмохлорида и перемешивают, добавляют 1,52 г цемента (тампонажного или строительного) в виде порошкообразного высококачественного материала, либо в виде измельченного цементного камня, подготовленного согласно методике [4], и вновь перемешивают 10 мин. В 500 см³ пластовой воды вводят последовательно (из расчета на 1 л раствора) 0,7 мас.% КМЦ-85/700 и 2,3 мас. % модифицированного крахмала (МК) и перемешивают до полного растворения реагентов. Затем смешивают полученные составы и перемешивают 15 мин. Технологические параметры полученного раствора следующие: р= 1200 кг/м³, УВ=42 с, Ф=610^-6 м³/30 мин, рН 8,2, Q_1/10=0,2/0,3 Па (табл. 1, пример 17).

Стабилизацию раствора можно производить водным раствором реагентов-стабилизаторов или реагентами в виде порошка.

Все исследованные составы готовили аналогичным образом, а результаты исследований представлены в табл. 1.

При анализе табл. 1 установлено, что оптимальное содержание в заявляемом составе алюмохлорида составляет 0,67-2,0 мас.% (опыты 12-18).

Нижний предел содержания алюмохлорида принят 0,67 мас. %, т.к. при уменьшении данной концентрации, например до 0,33 мас.% (опыты 10, 11), количество геля недостаточно для получения качественного раствора.

Верхний предел содержания алюмохлорида составляет 2,0 мас.%, т.к. при больших значениях, например 2,33 мас.% и выше (опыты 19-21), получаемый раствор содержит значительное количество ионов кальция, что затрудняет стабилизацию системы и не позволяет добиться высокого качества раствора.

Содержание цемента в заявляемом составе определяется количеством алюмохлорида, т.к. связано с ним стехиометрическим соотношением, которое в системе "алюмохлорид - цемент" составляет 1:1,1-1,2. Если добавка цемента меньше, чем требуется по стехиометрии, то геля вообще не получается (табл. 1, опыт 22). При добавке цемента более, чем этого требуется по стехиометрии, а именно более 1:1,2, (опыт 23), раствор получается низкого качества с высоким рН.

Поэтому нижний предел содержания цемента в составе, который имеет необходимые технологические параметры, принят 0,8 мас.% (опыт 12), а верхний предел принят 2,24 мас.% (опыт 18).

Нижний предел содержания стабилизатора принят 1,5 мас. %, т.к. при уменьшении данной концентрации, например до 1,4 мас.% (опыт 24), происходит ухудшение качества состава за счет повышения фильтрации.

Верхний предел содержания стабилизатора принят 3,0 мас.%, т.к. увеличение данной концентрации до 3,1 мас.%, (опыт 25) приводит к необоснованному расходу реагента.

В минерализованных системах предпочтительнее использовать КМЦ совместно с крахмалом, а не один крахмал.

Для сравнительных испытаний глиноемкости (устойчивости к "наработке" глин) в прототип и заявляемый состав вводили 30 мас.% глинопорошка и замеряли технологические параметры.

Результаты исследований сравнительной глиноемкости растворов представлены в табл. 2.

При анализе данных табл. 2 выявлено, что у заявляемого состава (опыты 2, 4) реологические характеристики после ввода глины значительно лучше, чем у состава по прототипу. Кроме того, такой важный параметр, как фильтрация, у заявляемого состава после ввода глины улучшается, а у состава по прототипу - ухудшается. Таким образом, у заявляемого состава налицо более высокая стойкость к "наработке" глины, чем у прототипа.

Стойкость заявляемого состава к "наработке" высококоллоидальных глин обеспечивает высокоскоростную и безаварийную проводку нефтяных и газовых скважин в осложненных условиях и снижает затраты, влияющие на стоимость бурового раствора.

Процесс приготовления состава экологически чист, т.к. при нем не выделяется большого количества углекислого газа, что способствует улучшению условий труда обслуживающего персонала.

Использование в гидрогелевом буровом растворе цемента обеспечивает достижение необходимых значений показателя рН без дополнительного введения щелочных реагентов, что позволяет снизить расход реагентов. Применение в качестве цемента цементной крошки, образующейся в процессе разбуривания цементного моста, позволяет обеспечить необходимые технологические показатели бурового раствора при использовании доступных отходов производства, что значительно снижает затраты на бурение нефтяных и газовых скважин. Заявляемый состав является универсальным, т.к. его можно использовать как при вскрытии продуктивных отложений, так и при бурении скважин из-под "кондуктора".

Опытно-промышленные испытания заявляемого технического решения планируется провести во 2-ом полугодии 2000 года.

Источники информации
1. Авт. свидетельство СССР 1298235, 5 МКИ С 09 К 7/02, приоритет 05.05.85, опубл. 23.03.87 в бюл. 11.

2. В.И. Мищевич и Н.А. Сидоров, "Справочник инженера по бурению", т. 1, M.: Недра, 1973 г., с. 359-360.

3. Патент РФ 2135542, 6 МПК С 09 К 7/02, приоритет от 16.01.97, опубл. 27.08.99 в бюл. 24. (прототип).

4. ГОСТ 1581-91 "Портландцементы тампонажные".

5. РД 39-2-645-81 "Методика определения параметров буровых растворов".

Формула изобретения

1. Гидрогелевый буровой раствор, содержащий алюмохлорид, хлорид натрия, затравку, стабилизатор и воду, отличающийся тем, что в качестве затравки он содержит цемент, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Алюмохлорид - 0,67 - 2,0
Хлорид натрия - 0,1 - 20,0
Стабилизатор - 1,5 - 3,0
Цемент - 0,8 - 2,24
Вода - Остальное
2. Гидрогелевый буровой раствор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве цемента он содержит цементную крошку, образующуюся в процессе разбуривания цементного моста.

3. Способ получения гидрогелевого бурового раствора по п. 2, включающий смешивание алюмохлорида, хлорида натрия, воды и затравки с последующей стабилизацией реагентами-стабилизаторами, отличающийся тем, что предварительно готовят водный раствор хлорида натрия и алюмохлорида, подают в скважину, где смешивают с цементной крошкой, образующейся в процессе разбуривания цементного моста.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4