Разработка ингибирующих буровых растворов

4.3. Разработка и оптимизация составов буровых растворов

    Наличие в разрезе большого количества глинистых  пород верхний интервал разреза  целесообразно разбуривать на ингибированной технической воде. При необходимости увеличения плотности воды вводятся хлористый калий или хлористый кальций дополнительно.

    Интервалы бурения под кондуктор, эксплуатационную колонну представлены переслаиванием глинистых пород, песчаников и гравиллитов. В отдельных участках песчаники проницаемые. Горные породы верхних интервалов склонны к осыпям, обвалам и возможно и возможно их растепление. Последнее накладывает к теплофизическим свойствам бурового раствора специальные требования. Основными критериями оптимизации состава промывочной жидкости при бурении данных интервалов являются:

• низкие значения показателя фильтрации;
• оптимальные значения статического напряжения сдвига;

• высокая ингибирующая способность;
• качественная очистка забоя от выбуренной горной породы.

    Для правильного подбора состава  ингибирующего бурового раствора на основе полигликолей необходимо рассмотреть взаимодействие в системе глинистая частица – вода. В природных условиях частицы глины в глинистых отложениях находятся под действием годного давления. С вскрытием глинистых отложений в процессе бурения величина давления, оказываемого на них, снижается, и они начинают впитывать воду из состава буровых растворов для восстановления содержания воды в своем составе в соответствии с оказываемым на них давлением. Первоначально вода адсорбируется на глине под действием дисперсионных и электростатических сил, как самых быстродействующих. Оболочка глины, состоящая из силикагеля, заполненного водой, способствую тем самым ее первоначальному набуханию. В последующем происходит уже донорно-акцепторное взаимодействие воды с гидратированной силикагелевой поверхностью глины. Однако вода одновременно испытывает действие не только реализующихся гидратных связей, но и дисперсионных сил. В силу этого мономеры воды после заполнения силикагелевой оболочки глины и образования гидратной сетки воды наполняют ее для повышения устойчивости гидратного полимера. Плотность воды на глине может достигать значений до 1500 кг/м³ и более. Подобная сетка будет характеризоваться пониженными значениями диэлектрической проницаемости (e=4-20 – в глинистой пасте против e=80-82 – для свободной воды).

    В дальнейшем за счет вновь поступающих порции воды происходит формирование гелевой оболочки из молекул воды, скрепленных водородными связями. Это обусловлено квантуемостью связей в гидратном полимере.

    Гелевая вода также наполняется мономинералами для повышения ее устойчивости, но прочность гелевой сетки падает с отделением от гидратного слоя воды. В системе «глина – вода» всегда будет существовать равновесие между различными формами воды, т.е. мономерами, гелевой и гидратной водой. С нарушением равновесия между ними они будут стремиться к его восстановлению согласно принципу Ле-Шаталье [7].

    В результате всех этих процессов вода раздвигает глинистые частицы. Вследствие снижения диэлектрической проницаемости воды начинает возрастать роль электростатических взаимодействий.

    Предотвратить и подавить набухание глины в  приствольной зоне скважины становится возможным в случае:

• предотвращения возможности всасывания воды глиной, т.е. создания соответствующего противодавления на глинистые породы или изменения активности воды в составе бурового раствора;
• предотвращения процессов перестройки структуры воды на глине и доступа в нее мономеров воды, т.е. предупреждение возможности реализации гидратной полимеризации и построения гелевой оболочки.

    Вследствие  технологических задач, решаемых в бурении скважин, достижение плотности раствора, необходимой для создания давления, равного горному, представляет собой крайне сложную техническую задачу. Поэтому целесообразно рассмотреть другие пути повышения устойчивости глины, или, если говорить точнее, снижения величины и скорости набухания и последующего диспергирования глины в стволе скважины.

    Возможность стабилизации глины в стволе скважины обусловлена состоянием воды в составе бурового раствора. Состояние воды можно охарактеризовать термодинамической активностью воды в составе буровых растворов. Следует учитывать, что наличие в воде соединений, обеспечивающих ей свойства веществ той или иной природы, будет способствовать перераспределению содержания различных форм воды связанной, частицей глины.

    Эффективным способом предотвращения и подавления набухания глины является  применение электролитов. Основным действием электролитов является разрушение структуры воды. Однако возможность разрушения структуры воды определяется концентрацией электролитов и размером ионов, в частности катиона электролита.

    Аналогичным действием  будут обладать и катионоактивные  органические соединения. Единственным их отличием будут являться то, что размер, состав и строение органического катиона обуславливает его гидратацию по гидрофобному механизму, с некоторым сочетанием электростатического. Тем не менее, поведение водных растворов четвертичных аминов подобно поведению растворов неэлектролитов. Они также будут встраиваться в гидратную воду и способствовать как блокаде ее полостей, так и развитию гидрофобных взаимодействий между частицами глины и повышению устойчивости глинистых отложений при контакте с водой.

    Таким образом, анализируя изложенную теорию, можно выделить следующее, что все соединения, снижающие набухания глин, в конечном счете, обеспечивают снижение скорости и величины всасываемой глиной воды и возрастание роли гидрофобных взаимодействий между частицами глины. За счет этого обеспечиваемся стабильность ствола скважины при вскрытии глинистых отложений.

    В тоже время буровые растворы на основе электролитов должны обеспечивать высокие технологические свойства, их экологическую безопасность и одновременно обеспечивать устойчивость глинистых пород в процессе бурения скважин. Поэтому возникает необходимость разработать буровые растворы на водной основе с применением неэлектролитов.

    Выбор вида водорастворимого неэлектролита  велся исходя из его доступности в виде товарного продукта. Подобными соединением является продукт получаемый при синтезе этиленгликоля, ди- и триэтиленглколя, а именно полигликоль. В качестве дополнительных компонентов, целесообразно использовались традиционно применяемые химические реагенты для обработки буровых растворов. Это КМЦ, ГКЖ и др. Дополнительно, в качестве пеногасителя и смазочной добавки можно использовать диоксановый спирт Т-66. Управление структурно-механическими и реологическими свойствами бурового раствора возможно применением реагента НТФ.

    Выбор компонентов для получения растворов и химических реагентов для

управления  их свойствами осуществляется из условия, что они либо инертные наполнители и на фауну не оказывают никакого воздействия, либо они указаны в перечне рыбохозяйственных нормативов: предельно допустимых концентрации (ПДК) и ориентировочно безопасных уровней воздействия (ОБУВ) вредных веществ для воды, водных объектов, имеющих рыбохозяйственное значение [21].

    В качестве инертных наполнителей можно  использовать бентонитовый глинопорошок или карбонатные компоненты, для получения бурового раствора. В качестве последнего успешного могут применяться мел, карбонатный шлам или тонкодиспкрсная мраморная крошка.

    Поставщиком катионов калия для ингибированных буровых растворов может служить  хлористый калий, который до 10% концентрации не представляет какой-либо опасности  для окружающей среды. Для стабилизации и регулирования технологических свойств ингибированных буровых растворов необходимо применять следующие химические реагенты и материалы:

1. Полигликоль (полиэтиленгликоль) – ингибирующая добавка                (ТУ2422-071-05766575-98);
2. Карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ-700) – стабилизатор                     (ТУ2231-001-3519378-96);
3. Бентонитовый глинопорошок – дисперсная фаза – структурообразователь (ТУ39-147101-105-93);
4. Нитрилотриметилфосфоновая кислота (НТФ) – регулятор структуры, рН, вязкости бурового раствора (ТУ6-09-5383-86);
5. Гидрофобная кремнийорганическая жидкость (ГКЖ-11) – гидрофобизатор (ТУ6-02696-76);
6. Диоксановая  жидкость  (Т-66) –   реагент комплексного действия  –   смазочная добавка, пеногаситель, нейтрализатор сероводорода           (ТУ2452-029-05766801-98).

    Все компоненты, применяемые в составе  полимер – гликолиевого ингибирующего бурового раствора, относятся к 4 классу опасности по ГОСТ12.1.007-76, то есть практически не токсичны, экологически безвредны, не оказывают вредного воздействия на окружающую среду.

    Одной из характерных особенностей процесса проектирования (получения технических  характеристик) промывочных жидкостей  является необходимость варьирования достаточно большого числа входных  факторов, при этом степень влияния многих из них на показатели свойств промывочной жидкости нередко и в значительной мере зависит от величины или уровня остальных факторов. Например известно, что эффективность действия полимерных реагентов – понизителей вязкости – в значительной мере зависит от величины рН промывочной жидкости, определяемой концентрацией в ней реагентов – регулятора щелочности.

    Планирование  эксперимента по методу комбинационных квадратов обеспечивает возможность получения нелинейных математических моделей при числе опытов, во много раз меньшем по сравнению с полным факторным экспериментом. Число уровней варьирования факторов при планировании эксперимента по этому методу составляет от трех до пяти, при этом имеется возможность оценки степени и характера влияния каждого фактора на тот или иной выходной параметр.

    Правила построения комбинационных квадратов  достаточно просты и сводятся к следующему: в каждой строке и в каждом столбце комбинационного квадрата должен быть только один опыт и они должны быть равномерно распределены по всему квадрату (рисунок 4.1) [27].

    Комбинационный  квадрат является основой для  построения матрицы планирования опытов, которая представляет собой таблицу, в которой строка соответствует одному опыту, а столбец – оному фактору. Факторами, как правило, являются концентрации компонентов промывочной жидкости.

    Пример  матрицы планирования опытов для  шести факторов при пяти уровнях каждого из них приведен в таблице 4.1. Здесь Х₁, Х₂,…, Х₆ – переменные факторы; Y₁, Y₂,…, Y_m – выходные параметры (значения показателей свойств промывочных жидкостей).

    Из  рисунка 4.1 и таблицы 4.1 следует, что  характерной особенностью опытов, спланированных по методу комбинационных квадратов, является то, что во всех опытах нет ни одного повторяющегося сочетания значений факторов. Кроме этого, поскольку все факторы изменяются на разных уровнях, то при усреднении результатов все факторы уравновешиваются и на результат оказывает влияние только исследуемый фактор при средних значениях остальных. Такая нейтрализация факторов позволяет выявить характер и степень влияния каждого из них на выходной параметр, в частности, выявить влияние концентрации каждого компонента исследуемой промывочной жидкости на значения показателей ее свойств.

                                                                  Таблица 4.1

Матрица планирования опытов для шести факторов