Химия и химические технологии/6. Органическая химия

Идрисова А.С., Сакибаева С.А., Сарсенбаев Х. А.

Южно-Казахстанский государственный университет им.М.Ауезова, Казахстан

Система критериев качества эмульсионных буровых растворов.

 

Из практики бурения известно, что качество эмульсионных буровых растворов (ЭБР) зависит от состава. Рассмотрим состав синтетической технологической жидкости на углеводородной основе (СУТЖ), представляющий собой ЭБР на основе ацетали и водного раствора хлористого натрия, состав которого представлен в табл. 1 (базовый состав) [1]. Для стабилизации ЭБР используются первичный и вторичный эмульгаторы Invermul, EZ Mul, а также загуститель Gelton. Необходимые кислотно-щелочные свойства регулируются добавкой извести, а плотность - баритом. При эвтектической плотности рассола хлористого кальция 1424 кг/м3 и водосодержании 25%, ЭБР имеет плотность 1,541 кг/м3.

Используемая система показателей качества ЭБР включает его параметры, представленные в табл. 1, а также тесты на термостабильность, загрязнение твердой фазой и водой. Последние выполняются путем сопоставления параметров базового и загрязненных ЭБР до и после термостатирования при интересующей температуре.

Ключевым моментом тестов на термостабильность является термин "ухудшение", который в данной системе определяется как изменение значения показателя термостатированного ЭБР, относительно предшествующего термостатированию, в сторону ухудшения. Отрицательный результат теста получается, даже если только один из перечисленных показателей ухудшился. Если ухудшение столь значительно, что показатель переходит свое критическое значение, то нарушается также термостойкость ЭБР.

Критические значения показателей являются наиболее спорным вопросом во всей системе, причем по одним из них определенность выше, чем по другим, поэтому рассмотрим каждый из них в отдельности.

Таблица 1. Состав и свойства СУТЖ на ацетальной основе

Базовый состав ЭБР (ацеталь/вода)=75:25)+7% шлама

Параметры ЭБР (200С)

Компонент

%, масс.

%, об.

U,

B

ηпл,

сПз

τ0,

Па

τ0/ ηпл

 

ηэф(6),

сП3

 

Ө10 сек,

Па

Ө10 мин,

Па

ПФ

(НТНР),

См3

Ацеталь

32,71

59,28

958

31

9,1

293

8

3,8

6,7

3,6

Вода+CaCl2

17,65

19,10

Карб.шлам

7,26

4,14

Invermul

0,87

1,37

EZ Mul

0,58

0,88

Параметры ЭБР после термостатирования при 1200С

CaO

1,02

0,56

998

33

7,18

218

8

4,3

6,7

4,8

Geltone-II

0,73

0,47

Барит

39,19

14,21

Всего:

100,00

100,00

Базовый состав ЭБР (ацеталь/вода=75:25)

Параметры ЭБР (200С)

Ацеталь

35,26

61,84

880

29

8,62

297

9

3,8

6,2

3,4

Вода+CaCl2

19,04

19,93

Invermul

0,94

1,43

EZ Mul

0,63

0,91

Параметры ЭБР после термостатирования при 1200С

CaO

1,10

0,58

1123

31

8,14

263

9

3,8

5,7

3,0

Geltone-II

0,78

0,49

Барит

42,26

14,82

Всего:

100,00

100,00

Базовый состав ЭБР (ацеталь/вода=75:25)+4% цемента

Параметры ЭБР (200С)

Ацеталь

33,94

60,73

852

32

9,1

284

9

4,3

7,2

3,6

Вода+CaCl2

18,32

19,57

Цемент

3,77

1,79

Invermul

0,90

1,40

EZ Mul

0,60

0,90

Параметры ЭБР после термостатирования при 1200С

CaO

1,05

0,57

886

33

8,14

247

9

4,3

6,2

3,2

Geltone-II

0,75

0,48

Барит

40,66

14,56

Всего:

100,00

100,00

Базовый состав ЭБР (ацеталь/вода=56:44)+22% морской воды

Параметры ЭБР (200С)

Ацеталь

29,49

48,08

544

42

7,66

182

12

6,2

10,5

2,2

Вода+CaCl2

15,92

15,49

Морская вода

16,38

22,26

Invermul

0,79

1,11

EZ Mul

0,52

0,71

Параметры ЭБР после термостатирования при 1200С

CaO

0,92

0,45

826

39

9,58

246

12

5,7

8,6

2,6

Geltone-II

0,65

0,38

Барит

35,33

11,52

Всего:

100,00

100,00

 

1. Первый из них - электростабильность – наиболее распространенный и наименее определенный из всех. По методике IDF Mud [2] ее значение предпочтительно иметь более 400В, однако указывается, что системы с меньшими ее значениями также могут быть устойчивыми.

2. Второй, третий, четвертый и пятый - ηпл,, τ0, τ0/ηпл,,  ηэф — это соответственно пластическая вязкость, динамическое напряжение сдвига (ДНС), их отношение, а также эффективная вязкость при скорости сдвига 6с-1, которые в совокупности характеризуют несущую способность ЭБР. По методике IDF Mud для оценки несущей способности используется показатель п = τ0/ ηпл, который рекомендуется иметь в пределах 0,75÷0,85, а значения ηпл, и τ0 выбирать по номограмме в зависимости от плотности ЭБР.

3. Шестой и седьмой - это показатели Ө10сек, Ө10мин удерживающей способности (тиксотропных свойств), которые должны находиться в отношении Ө10 мин/Ө10 сек=1,2÷2,5, а при Ө10 мин при утяжелении баритом не должно быть меньше 0,5 Па [3].

4. Восьмой показатель высокотемпературной фильтрации, который желательно иметь как можно ниже, но стандартная его величина <6см3.

Рассмотрим применение данной системы показателей для оценки качества применяемых ЭБР. С учетом сертифицированной термостойкости ЭБР равной 180°С наибольшее внимание при разработке рецептур уделяется реологическим свойствам ЭБР, определяющим его несущую способность. При этом крайне важным моментом является экстремальная зависимость реологических свойств ЭБР от температуры, определяющая необходимость привязки к ней параметров качества, что показано на рис. 1, где представлены изменения эффективной вязкости, ДНС и их отношения с температурой для ЭБР на основе ацетали и нефти, состав которых соответствует табл. 1(базовый вариант).

Рис.1.Изменение реологических параметров различных УТЖ с температурой

 

Наибольшее изменение обоих реологических параметров имеет место в интервале 10÷60°С, причем в интервале 25÷35°С наблюдается их относительная стабилизация. Отношение п с увеличением температуры ведет себя по разному - для нефти падает, а для ацетали увеличивается. Если исходить из рекомендованной IDF Mud величины п, то из рисунка очевидно, что ЭБР на основе нефти обеспечивает достаточную несущую способность только до температуры 50°С, а на основе ацетали превосходит рекомендованные значения, начиная с этой температуры.

Вместе с тем, существует неопределенность, касающаяся оптимальных значений п, которые методика IDF Mud не связывает с зенитным углом скважин, в то время как анализ исследований несущей способности ГЭР в горизонтальных скважинах [4] указывает на существенные различия как требуемых значений п при различных углах наклона скважин, так и применяемых критериев оценки. В связи с этим необходимо уточнение самих критериев и их критических значений для различных углов наклона скважины [5]. Необходимая для этого информация приводится в работе, где на основе лабораторных испытаний ЭБР, используемых при бурении горизонтальных скважин на месторождении Willistone в Северной Дакоте, указаны наиболее действенные факторы улучшения несущей способности, причем дифференцировано по диапазонам зенитных углов. Испытанные ЭБР были приготовлены на фабрике промывочных жидкостей фирмы "Bariod" в Pocaset штата Оклахома, и соответствуют стандартным рецептурам Enviromul, состав и свойства которых представлены в табл. 2.

Таблица 2. Состав и свойства ЭБР на основе минеральной нефти, применяемых при бурении скважин на месторождении Willistone в Северной Дакоте

Состав ЭБР (нефть/вода)=63:37)

Параметры ЭБР (t=380С)

Компонент

%, масс.

%, об.

U,

B

ηпл,

сПз

τ0,

Па

τ0/ ηпл

 

Нефть

38,96

54,15

 

 

520

 

 

22

 

 

8,62

 

 

392

Вода

25,24

31,67

CaCl2

10,73

4,99

Invermul

1,17

1,50

EZ Mul

0,39

0,48

CaO

0,78

0,35

Geltone-II

0,68

0,36

Барит

22,05

6,51

Состав ЭБР (нефть/вода=71:29)

Параметры ЭБР (t=380С)

Нефть

46,05

62,13

 

 

556

 

 

16

 

 

5,27

 

 

329

Вода

20,56

25,05

CaCl2

8,37

3,78

Invermul

1,23

1,52

EZ Mul

0,41

0,49

CaO

0,82

0,36

Geltone-II

0,92

0,47

Барит

21,64

6,20

Состав ЭБР (нефть/вода=77:23)

Параметры ЭБР (t=380С)

Нефть

38,96

54,15

 

 

593

 

 

22

 

 

6,7

 

 

305

Вода

25,24

31,67

CaCl2

10,73

4,99

Invermul

1,17

1,50

EZ Mul

0,39

0,48

CaO

0,78

0,35

Geltone-II

0,68

0,36

Барит

22,05

6,51

Всего:

100,00

100,00

 

Оценка несущей способности в данной работе производилась по величине критического расхода ЭБР, обеспечивающего отсутствие шламовых накоплений. На рис. 2 приведены полученные экспериментальные зависимости критических расходов от угла наклона скважины при различных отношениях нефть:вода, которые показывают, что увеличение структурных и реологических параметров, происходящее при увеличении водосодержания более 77% ведет к росту критического расхода, вплоть до зенитного угла 70÷75 , а затем, наоборот, снижает его. Если руководствоваться минимизацией расхода при 85° и принять 37% водосодержания, то как следует из рис. 2, на участке скважины с зенитным углом 65° вынос шлама будет нарушен, поэтому оптимальным является выбор водосодержания 29%, которое (рис. 2) обеспечивает постоянство и минимальность критического расхода при углах 654-85°.

Рис.2. Влияние зенитного угла скважины на расход ЭБР, необходимой для выноса шлама при различных отношениях нефть/вода

 

Таким образом, для бурения горизонтальных стволов в условиях разупрочняющихся аргиллитов, эвапоритов, плывунов и забойных температур до 180°С могут применяться стандартные рецептуры Enviromul (Baroid), оценка качества которых может выполняться в соответствии с системой показателей табл. 1. с учетом рекомендованных методикой IDF Mud их критических значений. При превышении критической температуры 60°С и использовании в качестве основы ЭБР нефти следует использовать температурные стабилизаторы ЭБР, позволяющие оптимизировать отношение п, а если основа синтетическая, то целесообразно уменьшение с этой целью водосодержания.

Данные составы ЭБР, методика оценки их качества, приемы и средства управления их свойствами могут быть применены в аналогичных условиях отечественных месторождений.

Литература

1.     Young S. The alternative to the oil-based drilling mud. Technical and environmental benefits of psevdo-oil-based drilling mud// 7-th Northen Drilling Conference. - JCristiansand, North Norway. - October 1994.

2.     IDF Technical Manual// International Drilling Fluids/ Hillington Press, Uxbidge, 1992.

3.     All S.A., Bearing H.L. Evaluating water-based drill in fluids for horizontal completions.// - <World Oil>.- 1996, v.217, №10, pp.71-77.

4. Becker Т., Azar J. Okrajni S. Correlations of Mud Rheological Properties With Cuttings Transport Performance in Directional Drilling// SPE 19535 SPE. 64th Annual Technical Conference and Exhibition, San Antonio, Oct 8-11, 1989.

5.  IDF Technical Manual// International Drilling Fluids/ Hillington Press, Uxbidge, 1992.