автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.10, диссертация на тему:Разработка инвертных эмульсий с различной активностью водной фазы для бурения в неустойчивых глинистых породах и вскрытия продуктивных пластов на месторождениях Северного Сахалина

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ИНВЕРГНЫХ ЭМУЛЬСИОННЫХ РАСТВОРОВ ПРИ БУРЕНИИ В НЕУСТОЙЧИВЫХ ГЛИНИСТЫХ

ПОРОДАХ И ВСКРЫТИИ ПРОДУКТИВНЫХ ПЛАСТОВ.

1.1. Анализ осложнений при бурении и заканчивают скважин на месторождениях Северного Сахалина. б

1.2. Инвертные эмульсионные растворы и особенности их взаимодействия с глинистыми породами. II

1.3. Основные задачи исследований.

2. ИССЛЕДОВАНИЯ ОСМОТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ИНВЕРГНЫХ ЭМУЛЬСИЙ С ГЛИНИСТЫМИ ПОРОДАМИ.

2.1. Теоретические исследования осмотических процессов в скважине при бурении с промывкой

2.2. Разработка методики определения активности водной фазы инвертных эмульсий.

2.3. Метод количественной оценки осмотических процессов в скважине и его промысловая апробация

2.4. Выводы.

3. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЦЕПТУР ИНВЕРТНЫХ ЭМУЛЬСИОННЫХ РАСТВОРОВ С РАЗЛИЧНОЙ АКТИВНОСТЬЮ

ВОДНОЙ ФАЭЫ.

3.1. Особенности получения и регулирования свойств инвертных эмульсий.

3.2. Методики исследований.

3.3. Разработка рецептуры термостойкого инвертного эмульсионного раствора с низкой активностью водной фазы.

3.4. Разработка рецептуры термостойкого эмульсионного раствора с высокой активностью водной фазы.

3.5. Исследование влияния низких температур на свойства ИЭР.

3.6. Выводы.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРИМЕНЕНИЯ ИНВЕРТНЫХ

ЭМУЛЬСИОННЫХ РАСТВОРОВ В УСЛОВИЯХ СЕВЕРНОГО

САШИНА.

4.1. Технология приготовления ИЭР с различной активностью водной фазы в промысловых условиях.

4.2. Опыт промышленного применения ИЭР с низкой активностью водной фазы при вскрытии неустойчивых глинистых пород.

4.3.0шт промышленного применения ИЭР с высокой активностью водной фазы при бурении в неустойчивых глинистых отложениях и вскрытии продуктивных пластов.

4.4. Технико-экономическая эффективность применения инвертных эмульсионных растворов при бурении скважин в ВПО "Сахалинморнефтегаз-пром". основные вывода.

"Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I - 85 годы и на период до 1990 г/,' принятыми на ХХУ1 съезде КПСС,предусмотрено дальнейшее развитие топливно-энергетической базы страны. Добыча нефти в 1985 г. будет доведена до б20-645млн. т., а газа до 600-640 млрд.м .Для решения этой важнейшей задачи необходимо существенно повысить технико-экономические показатели буровых работ, особенно в районах со сложными горно-геологическими условиями бурения. Одним из таких регионов является Северный Сахалин, где при бурении глубоких скважин возникают серьезные осложнения из-за обвалов стенок скважин, представленных глинистыми породами, а также при вскрытии продуктивных пластов из-за ухудшения коллекторских свойств прйзабойной зоны. Потери времени на борьбу с осложнениями из-за обвалов составляют по ВПО "Сахалинморнефтегазпром" более 15 тыс.часов в год, а затраты на эти работы превышают I млн.руб. Из-за некачественного вскрытия продуктивных пластов, первоначальные дебиты скважин не превышают 50% от потенциальшвозможных.Одним из важнейших мероприятий для предотвращения указанных осложнений.является правильный выбор систем буровых растворов и регламентирование их технологических свойств. В последние годы для борьбы с осложнениями при бурении и вскрытии продуктивных отложений получили распространение системы растворов на углеводородной основе, из которых наиболее эффективны инвертные эмульсионные растворы (ИЭР). Результаты бурения на этих растворах во многих районах страны (Белоруссии, Татарии, Поволжья, Севернго Кавказа и др.) выявили ряд их существенных преимуществ: сохранение проницаемости продуктивных коллекторов, повышение устойчивости стволов скважин в интервалах глинистых пород, стабильность свойств при взаимодействии с солями, кислыми газами, минерализованными пластовыми водами и т.п. /1-6/.Опыт применения инвертных эмульсионных растворов (ИЭР) показал, что существенное значение в повышении устойчивости глин имеет активность водной фазы эмульсии, от величины которой зависит характер осмотических перетоков воды из эмульсии в породу и наоборот /2,3,9/.Однако до последнего времени не решен ряд вопросов, позволяющих с достаточной достоверностью рассчитать осмотическое равновесие в системе "глинистая порода - ИЭР". В частности, недостаточно исследовано влияние активности водной фазы Ю Р на ее взаимодействие с терригенными породами и в итоге на устойчивость стенок скважины. Отсутствуют надежные, оперативные способы определения активности водной фазы, а также методика количественной оценки осмотических процессов в скважине. Это затрудняет успешную разработку рецептур ИЭР с активностью водной фазы, соответствущей геолого-технологическим условиям бурения, и совершенствование технологии их применения.Целью диссертационной работы является разработка термостойких инвертных эмульсионных буровых растворов с учетом осмотических процессов, протекающих при их взаимодействии с глинистыми породами, для создания эффективной технологии строительства скважин в неустойчивых терригенных отложениях Северного Сахалина.Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач, связанных с разработкой методов оценки осмотических процессов в скважине при промывке ИЭР и определения активности водной фазы эмульсии.Примечание: В диссертационной работе использованы материалы исследований и публикаций, выполненных совместно с сотрудниками отдела бурения "СахалинНИПИнефтегаз".

основные вывода

1. Выведены уравнения осмотического равновесия в системе "глинистая порода - ИЭР", позволившие разработать метод количественной оценки осмотических перетоков при бурении скважин с промывкой ИЭР. Показано, что при первичном вскрытии глинистых пород на ИЭР активность его водной фазы должна быть низкой, а при замене глинистого раствора в открытом стволе скважины активность водной фазы ИЭР должна быть близкой к единице.

2. Разработана методика определения активности водной фазы инвертных эмульсий посредством экспериментального определения давления насыщенных паров эмульсии. Применение методики позволило установить следующее:

- активность водной фазы не зависит от ее содержания в инвертной эмульсии и остается постоянной в исследованном температурном интервале (20-90°С);

- дисперсные наполнители, в зависимости от природы своей поверхности, могут увеличивать или снижать активность водной фазы.

3. Комплексная обработка сульфонолом и едким натрием инвертных эмульсий с высокой концентрацией хлорида кальция в водной фазе повышает их термостойкость. Эффект стабилизации наблюдается только при последовательном вводе сульфонола и едкого натрия. Их оптимальная добавка составляет, соответственно, 0,4-0,6% и 0,3-0,4%, а время между вводом реагентов - 3,0-5,0 часов.

4. Применение комплексной обработки позволило получить термостойкий до 150°С ИЭР, имеющий активность водной фазы в пределах 0,31-0,66, для бурения в неустойчивых глинистых породах с последующим вскрытием продуктивных пластов.

5. Показано, что применение геля гидроксида алюминия в качестве водной фазы инвертных эмульсий повышает их термостойкость.

Оптимальная его концентрация в воде составляет 4-5% при рН в пределах 6,7-7,5.

6. ИЭР с гелем гидроксида алюминия имеет термостойкость до 180°С, активность водной фазы в пределах 0,60-0,88, позволяет сохранить устойчивость терригенных пород при замене глинистого раствора в открытом стволе скважины и обеспечивает высокое качество вскрытия продуктивных пластов.

7. Промышленными испытаниями ИЭР на площадях Северного Сахалина установлено следующее:

- подтверждена стабильность свойств ИЭР при температурах до 150°С и плотности раствора до I860 кг/м3;

- при активности водной фазы ИЭР, соответствующей геолого-технологическим условиям, исключаются осложнения, , связанные с нарушениями устойчивости глинистых пород;

- применение ИЭР при заканчивании скважин увеличивает их продуктивность на ряде месторождений в 2-2,5 раза.

8. Для промышленного применения ИЭР составлена и утверждена в качестве руководящего документа для буровых предприятий ВПО "Сахалинморнефтегазпром" "Инструкция по применению инвертно-го эмульсионного раствора, стабилизированного гелем гидроксида алюминия".

1. Предупреждение кавернообразования при бурении скважинна речицком месторождении БССР / И.С. Арнопольский, А.В. Мнацаканов, В.А.Мосейко и др. FHTC "Бурение", 1970, № I, с.20-22.

2. Магомедов М.З., Орлов А.В. Растворы для бурения неустойчивых горных пород. Обзорная информация. Сер.бурение, М.:ВНИИОЭНГ, I98I-58C.

3. Михеев В.JI.Технологические свойства буровых растворов. М.: Недра, 1979. 239 с.

4. Амиян В.А., Амиян А.В., Васильева Н.П. Вскрытие и освоение нефтегазовых пластов. 2-е изд., перераб. и доп.-М.:Недра, 1980.-380 с.

5. Результаты вскрытия пластов с применением инвертных эмульсий / Н.М.Касьянов, В.Ф.Штырлин, Р.Х.Муслимов и др. Нефтяное хозяйство, 1976, № 4, с.25-29.

6. Касьянов Н.М., Рахматуллин Р.К. Исследование влияния инвертных эмульсионных буровых растворов на качество вскрытия продуктивного пласта. FHTC "Бурение". М., 1981, № 6, с.17-20.

7. Оказание научно-технической помощи буровым предприятиям объединения "Сахалиннефть", при проводке скважин в неустойчивых глинистых породах: Отчет СахалинНИПИнефть; Отв. исполнитель Г.А.Ильин № ГР 75032009. - Оха, 1975.-197 с.

8. И.Липкес Нефтяное хозяйство, 1976, № 4, с.22-25.

9. Алексейчик С.Н. Геологическое строение и газоносность ;еверной части Сахалина, 1959, 233с.(Тр.ВНЙГРИ, вып.135).

10. Заключительный отчет по теме бЛ^,^ № гос< peracTpa41M491545, отв. исполнитель Г.С.Мишаков. Оха: СахалинНИПИнефтегаз, :979.-160с.

11. Разработать технологию вскрытия пластов, крепления и испы-•ания скважин на площадях Сахалина и приеахалинского шельфа: Отчет/ !ахалинНИПИнефтегаз; отв.исполнители И.И.Мельников, В.С.Пупков.1. Нч

12. ВПВ1» » ГР 81032888.-Оха, 1981.-142с.

13. Сизов Б.Н., Ильин Г.А., Калыциков А.Г. Анализ кавернообра-ования в пробуренных скважинах на месторождениях Северного Сахалина.-». КН.: Геология и особенности разработки нефтяных месторождений Сахалина. 1977, с.57-64 (Тр.СахалинНИПИнефть).

14. Ильин.Г.А., Калыциков А.Г., Сизов Б.Н. Опыт применения тяжеленного нефтеэмульсионного полимерного бурового раствора -НТС "Бурение". М., 1977, № 8, с.15-16.

15. Ильин Г.А. Научно-исследовательские работы СахалинНИПИнефть области буровых растворов РНТС "Бурение". М., 1976, № II,17.18.

16. Ильин Г.А., Сизов Б.Н., Мельников И.И. Опыт бурения нижне-иоценовых неустойчивых глинистых толщ.-В кн.: Геология и разра-отка нефтяных месторождений Сахалина. 1977, с.58-60 (Тр. Сахалин-ИПИнефть).

17. Касьянов Н.М., Штырлин В.<В. Вопросы повышения качества вскрытия продуктивных пластов.-Тематические научно-технические обзоры. Сер.бурение. М., ВНИИОЭНГ, 1969.-67 с.

18. Соловьев Е.М. Заканчивание скважин. М.:Недра, 1979.-ЗОЗс.

19. Гамзатов С.М. Влияние осмотических явлений на кавернооб-разование.- FHTC "Бурение", 1974, № 8, с.16-18.

20. Сеид-Рза, Исмаилов Ш.И., Орман Л.М. Устойчивость стенок скважин. М.:Недра, I98I.-I75c.

21. Аветисян Н.Г., Шеметов В.Ю. Предупреждение нарушений устойчивости горных пород под действием осмотического массопереноса. Обзорная информация. Сер.бурение. М.: ВНИИОЭНГ, 1980. 44с.

22. Применение инвертно-эмульсионных буровых растворов при проводке глубоких скважин в Белоруссии / А.В.Мнацаканов, И.С.Арно-польский, В.И.Токунов и др.М.ВНИИОЭНГ, 1978.-45с.

23. Влияние гидрофобной эмульсии на приток нефти и устойчивость ствола скважины в менилитовых отложениях Предкарпатского прогиба/ У.Л.Скальская, А.Н.Янкевич, Ю.В.Манюх и др. РНТС "Бурение",1976, с.14-16.

24. А.С. № 834094 (СССР). Инвертный эмульсионный буровой раствор/Мухин Л.К., Ягодин В.Д., Соловьев В.М., Ропяная М.А.-Опубл. в Б.И., 1981, № 20.

25. Ягодин. В.Д., Мухин Л.К. Обратная эмульсия,стабилизированная железными мылами окисленного петролатума.-Нефтяное хозяйство, 1978, № 9, с.20-22.

26. Опыт применения обратной эмульсии, стабилизированной железными мылами окисленного петролатума/Л.К.Мухин, В.Д.Ягодин,

27. Г.Ф.Горшков и др. FHTC "Бурение", 1978, № II, с.15-17.

28. А.С. № 570626 (СССР). Инвертный эмульсионный буровой раствор / Кистер Э.Г., Лернер Р.С., Шумилова Е.П. и др. Опубл. в Б.И., 1977, № 32.

29. Ребивдер П.А., Поспелова К.А. Современные представления об устойчивости, образовании и разрушении эмульсий и методы их исследования. В кн.: Клейтон В. Эмульсии. М.: И.Л.,1950,с,11-71.

30. Клейтон В. Эмульсии, их теория и технические применения. Пер. с англ./Под редакцией Ребиндера П.А., М.:И.Л.,1950. -679с.

31. Овчинский К.Ш. Методика оценки термостойкости инвертных эмульсий. В кн.: Химическая обработка буровых растворов. Тр. ВНИИБТ, вып. 53. М.: ВНИИБТ, 1981, с.53-59.

32. Кистер Э.Г. Химическая обработка буровых растворов. М.: Недра, 1972.-392с.

33. Хачатуров И.Е. Исследование и разработка инвертных эмульсий для бурения и заканчивания скважин в условиях высоких температур (на примере Ставропольского края). Автореферат дис.канд. техн. наук. М., 1980.-21с.

34. Воюцкий С.С. Курс коллоидной химии. М.:Химия, 1984.565с.

35. Использование инвертного эмульсионного бурового раствора /В.С.Войтенко, В.Д.Тур, Ю.С.Зиновьев, Н.Н.Ерко-Газовая промышленность, 1983, № 10, с.12-13.

36. Глушко B.H. Влияние состава водной фазы на свойства обратных эмульсий НПС "Нефтяная и газовая промышленность", 1983, № 3, с.27-29.

37. Крель Э. руководство по лабораторной перегонке.-Перевод с немецкого /Под редакцией д-ра техн.наук В.М.Олевского. М.: Химия, 1980. 520с.

38. Горбачев С.В. Практикум по физической химии. М.:Высшая школа, 1979. 172с.

39. Краткий справочник по химии. /Гороновский И.Т., Назарен-ко Ю.П., Некряч Е.Ф. 2-е изд., стереотипное - Киев: изд. Академии наук УССР, 1963.-659с.

40. Гутер Р.С., Овчинский Е.В. Элементы численного анализаи математической обработки результатов опыта. М.:Наука, 1970.-432с.

41. Мухин Л.К., Соловьев В,М. Влияние известково-битумных растворов (ИБР) на устойчивость глинистых пород Бурение газовых и морских нефтяных скважин. Экспресс - информация ВНИИЭГазпром. М., 1981,№1, с.16-23.

42. Дейч М.Е., Филиппов Г.А. Газодинамика двухфазных сред. М.:Энергия, 1968.-422с.

43. Дытнерский Ю.И.Обратный осмос и ультрафильтрация. М.: Химия, 1978.-352с.

44. Бродский А.И. Физическая химия.-6-е изд.,перераб.-М.-Л. :Госхимиздат, 1948.-998с.

45. Электрическая природа осложнений в скважинах и борьба с ними/А.С.Серяков,Л.К.Мухин,В.З.Лубан и др.-М.:Недра,19В0.-134с.

46. Комплексная технология определения и прогнозирования по-ровых, пластовых давлений и зон АВПД по геолого-геофизическим данным при бурении скважин глубиной до 7000м. РД - 39-4-710-82. Грозный, 1982.-130 с.

47. Дерягин Б.В., Мельникова М.К., Нерпин С.В. Теория равновесия и передвижения почвенной влаги при различной степени увлажнения." Доклады У1 Международному конгрессу почвоведов.: Физика почв. М., 1965, с.35-40.

48. Бабков В.Ф., Безрук В.М. Основы грунтоведения и механики грунтов, М.: Высшая школа, 1976* 230с.

49. Овчаренко Ф.Д. Гидрофильность глин и глинистых минералов. Киев,: Изд-во Академии наук УССР, I96I.-29Ic.

50. Леонов Е.Е., Войтенко B.C. О физико-химическом взаимодействии бурового раствора на напряженно-деформационное состояние горных пород в стенках скважины.-Изв. ВУЗОВ: Геология и разведка. М.,1977, № 3, C.II7-I2I.

51. Булычев В.Г. Механика дисперсных грунтов.-Под ред. проф. И.И.Черкасова. М.: Стройиздат, 1974, 227с.5?. Гольдштейн М.Н. Механические свойства грунтов (напряженно-деформативные и прочностные характеристики). М.: Стройиздат, 1979. -304с.

52. Дерягин Б.В. Учение о свойствах тонких слоев воды в приложении к объяснению свойств глинистых пород.-Труды совещания по инженерно-геологическим свойствам горных пород и методам их изучения. Том I.M., 1956, с.45-58.

53. Гукасов Н.А.Справочное пособие по гидравлике и гидродинамиюв бурении. М.:Недра, 1982.-302с.6$. Зайдель А.Н. Ошибки измерений физических величин. Л.: Наука, 1974.-108с.

54. Термостабильность гидрофобно-эмульсионных растворов /В.И.Токунов, И.Б.Хейфец, А.В.Мнацаканов и др. РНТС "Бурение", 1978, № 2, с.22-25.

55. Токунов В.И., Хейфец И.Б. Гидрофобно-эмульсионные буровые растворы. М.: Недра, 1983.-167с.

56. Буровые растворы на основе эмульсий. Обзор зарубежной литературы. М.,. ЕНИИОЭНГ, 1971. -97с.67* Хейфец И.Б., Токунов В.И. О контроле электростабильности гидрофобно-эмульсионных.растворов-НПС "Нефтяная и газовая промышленность", 1981, № 4, с.20-22.

57. А.С. № 715768 (СССР). Устройство для определения электростабильности инвертных эмульсий /Ильин Г.А., Мельников И.И., Федоров М.Н. Опубл. в Б.И., 1980, № 6.

58. Овчиаский К.Ш., Барановский Ю.В. Измерение электростабильности инвертных эмульсий при высоких температурах-Геология,бурениеи разработка газовых месторождений. Экспресс-информация ВНИИЭГазпром, М., 1979, № 9, с.10-14.

59. Исследование влияния структурно-механических свойств смешанных межфазных слоев на устойчивость обратных эмульсий /Л.К.Мухин, В.М.Соловьев, А.И.Леонидова и др. В кн.:Дисперс-ные системы в бурении. Киев, 1977, с.148-149.

60. Нестерова М.П. Физико-химическое основы эмульсионного метода очистки емкостей от вязких нефтеостатков с помощью ПАВ

61. В кн.: Применение ПАВ в нефтяной промышленности. М., 1966,с.57-59.

62. А.С. № 1008234 А (СССР). Способ обработки инвертного эмульсионного бурового раствора / Мельников И.И., Ильин Г.А., Сизов Б.Н., Липкес М.И. Опубл. в Б.И., 1983, № 12'.

63. Стабилизация бурового инвертного эмульсионного раствора /М.И.Мельников, Г.А. Ильин, Б.Н. Сизов, М.И.Липкес Геология, бурение и разработка газовых месторождений. Экспресс - информация ВНИИЭГазпром. М., 1983, № 2, с.14-17.

64. Лурье Ю.Ю. Справочник аналитической химии. 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1979. -480с.

65. Левина С.А., Ермоленко Н.Ф. Структура и адсорбционная активность гидроокисей алюминия, хрома и железа в зависимости от условий их образования Коллоидный журнал 1955, т.18, вып.4,с.287-294.

66. Гофенберг И.В., Передерий О.Г., Пушкарев В.В. Зависимость дзета-потенциала частиц глины от условий получения коагулянта оксигидратов алюминия Коллоидный журнал, 1979, т.41, № 2,с.330-332.

67. Чертов В.М., Зеленцов В.И. Старение и стабилизация осадков гидроокиси алюминия -Коллоидный журнал, 1976, т. 38, № 4,с.750-751.

68. Когановский A.M. Влияние коагуляции коллоидных гидроокисей алюминия и железа на изменение доступности их поверхности-Коллоидный журнал, 195Г, т. 13, № 4, с.283-288.

69. А.С. № 709662 (СССР), Инвертный эмульсионный буровой раствор /Ильин Г.А., Мельников И.И. Опубл. в Б.И., 1980, № 2.

70. Применение бурового инвертного эмульсионного раствора, стабилизированного гидроксидом алюминия, на площадях Северного Сахалина / И.И.Мельников, Г.А. Ильин, Б.Н. Сизов, М.И.Липкес-FHTC "Бурение", 1984, № 4, с.12-13.

71. Ильин Г.А., Мельников И.И. Термостабильный инвертный эмульсионный буровой раствор на основе соединений алюминия-Буре-ние газовых и морских нефтяных скважин. Реферативная информация ВНИИЭГазпром, М., 1981, № I, с.28-32.

72. Мельников И.И. Влияние отрицательных температур на свойства буровых инвертных эмульсионных растворов на основе эмультала. В кн.: Геология и особенности разработки нефтяных месторождений Сахалина. 1977, с.64-67(Тр. СахалинНИПИнефть).

73. Методика определения экономической эффективности использования при строительстве нефтяных и газовых скважин новой техники, изобретений и рационализаторских предложений- РД 39-2-79-78,1. М., ВНИИБТ, 1978.-с.230.

74. Есин В.М., Мельников И.И. Экономическая эффективность применения новой технологии при вскрытии продуктивных пластов-Бурение газовых и морских нефтяных скважин. Реферативная информация ВНИИЭгазпром, М., 1983, № 6, с.31-33.

75. Thomas С. MoncfshLne. Emuision mud Dziliing-. United Siatas ?aieni) 3.56/.548.