автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.10, диссертация на тему:Разработка термостойкого бурового раствора на основе модифицированного гуматно-калиевого реагента для проводки скважин в неустойчивых разрезах

МИНИСТЕРСТВО НЕИШОЙ ПРОМШШЕЩХЛИ

ВСЕСОЮЗНЫЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ . НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ БУРОВОЙ ТЕХНИКИ (ШИИБТ)

На правах рукописи УДК 622.241.82.06

ГАНКИН Владимир Эммануилович

РАЗРАБОТКА ТЕРМОСТОЙКОГО БУРОВОГО РАСТВОРА НА ХНОВЕ МОДИФИЦИРОВАННОГО ГУМАТНО-КАПИЕВОГО РЕАГЕНТА ДЛЯ ПРОЮДКИ ОШАНИН В НЕУСТОЙЧИВЫХ РАЗРЕЗАХ

Специальность 05.15.10 Бурение нефтяных и газовых сквйжин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени • кандидата технических наук

Москва - 1969

Работа выполнена во Всесоюзном ордена рудового "Красного Знамени научно-исследовательском институте буровой техники.

Научный руководитель: кандидат технических наук -Дипкэс М.И,-

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Пеньков А.И.

кандидат технических наук Михеев В.Л.

Ведущее предприятие: производственное объединение "Грознефть"

Защита состоится " 26 " СЕНТЯБРЯ 1989 г. в 10 час. на заседании специализированного Совета Д.104.03.01 Всесоюзного ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательского института буровой техники по адресу: 117957, Москва, В-49, ГСП-1, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИБТ.

Автореферат разослан "27 " ЙН>АЯ 1989 г.

Ученый секретарь сдециалигированиого Совета, кандидат технических наук

О/"/-¿-7 А.И.Литвинов

СБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТ!!

Актуальность проблемы. В "Основных направлениях экономического и социального развитая СССР на 1986-1990 г.г. и на период до'2000 г.", принятых Х2Л1 съездом партии, определены пути дальнейшего развития нефтегазодобывающей промышленности страны. Выполнение поставленных задач в значительной мере связано с совершенствованием техники а технологии буровых работ, являющимися наиболее капиталоемкими в отрасли.

Повышение техкнко-эконо'шческкх показателей буреягш, в первую очередь глубоких скважин, существенно зависит от технического уровня применяемых буровых растворов, их соответствия разнообразным горно-геологическим условиям. В последние годы для бурения глубоких сквагзш создан ряд эффективных систем растворов: полимерных, ингибирущих, солестойких и других, однако широкое их внедрение сдерживается из-за отсутствия в достаточных масштабах промышленного произвйдства специальных химических реагентов: акриловых полимеров,, полисахаридов, эфиров целлюлозы и других. Вместе с тем, применение широкодоступных и недорогих гуматных реагентов, производство которых практически неограничено, с каздым годом сокращается из-за несоответствия качества реагента условиям бурения глубоких скватан вследствие низкой термостойкости, диспергяружего н разупрочнявдего действия гуматоз на глинистые породы.

Новые перспективы открывается при использовании калиегте гуматных реагентов, где интабирзтадй эффект получен заманой иона натрия на ион калия. В последние года в метровой практике бурения получил распространение широкий ассортимент хсалзй-гуматных реагентов, таких как: Бэйсик-К и Лигнекс-К (США), Дралиг (ЧССР), Калий-гумат (ВНР) и других. Опыт приконешмс

разработанного во ВНИЙБГ отечественного гуштно-калпевого реагента (1КР) показал, что замена УЩР на ГКР повышает устойчивость стенок скважины, снижает диспергирование шлама,, умень тает расход реагентов и утяжелителей и затрат времени на непроизводительные операции. Однако склонность гуматно-калиевог реагента к концентрационному загущеншь, нлзааа термостойкость и отсутствие эффективного метода регулирования реологичг ■гкюс свойств существенно сникают его технологическую эффективность и ограничивают применение ГКР разбуриванием, в основнш, верх них интервалов.

Исследования т> области совершенствования гуматно-калие-вого реагента путем его модифицирования с целью повышения тер мостойкости и ингибирукщего действия являются в настоящее врв' мя чрезвычайно актуальной задачей, решение которой будет способствовать широкому вне,прению доступных и дешевых гуматов взамен традиционных многокомпонентных-ингибирующих систем растворов при бурении глубоких скважин.

Цель работы. Разработка термостойкого бурового раствора на основе модифицированного гуматно-калиевого реагента, обеспечивающего повышение технико-экономических показателей при проводке скважин в неустойчивых глинистых разрезах.

■ Основные задачи работы.

1. Сравнительное исследование физико-химических свойств гуматов натрия и калия и взаимодействия калиевых гуматных реагентов с глинами различной минералогической природа.

2. Определение метода и доследование процесса модифицирования ШР с целью получения ингибирувдих и термостойких буровых растворов.

3. Разработка системы бурового раствора на основе модифицированного гуматно-калиевого реагента и исследование се

термостойкости, высокотемпературной реологии и ннгибирувдих свойств.

4. Промысловые исследования и испытания разработанной системы бурового раствора,

Научная новизна. На основании впервые выполненных высокотемпературных реологических исследований гуматных реагентов я гумат-глинистых растворов установлено, что калиевая форма гу-матов обладает высокой интенсивностью структурообразования, концентрационного и тешературного загущения; модификация гу-мата калия оксидом магния или его техническим аналогом - каустическим магнезитом обеспечивает реологическую состоятельность глинистого раствора в интервале температур 20-200° С. Определены оптимальные концентрации модифицированного реагента в зависимости от минералогического состава твердой фазы ■ раствора, обеспечивающие требуемые реологические и ингибирую-щие свойства система в исследованном температурном диапазоне.

Обнаружена и количественно установлена взаимосвязь между ингибирувдими свойствами раствора (диспергированием и скоростью увлажнения глин) с удельным электрическим сопротивлением в широком диапазоне концентраций реагента (1-10%).

Впервые исследовано теритостабилизирутацее и ингибирувдее действие оксида магния при раздельном вводе гумата калия и каустического магнезита в условиях избыточной концентрации глины в составе бурового раствора.

Практическая ценность. Разработан термостойкий до 150200° С модифицированный -каустическим магнезитом гуматно-ка-лиевый буровой раствор, предназначенный для проводки скважин в неустойчивых глинистых отложениях, применение которого взамен традиционных ингибированных систем (известковой, хлор-

кальциевой, з^уматно-кальциевой) обеспечивает:

- стабильные технологические параметры бурового раствора;

- уменьшение в 1,5-2 раза расхода реагентов и утяжелителей при одновременном сокращении их - номенклатуры;

- снижение на 20-40% затрат времени на проработку и промывку скважины, обработку и приготовление бурового раствора— при одновременном улучшении или сохранении качества ствола скважины. ■

Реализация -работы в промышленности. Основные результаты работы реализованы при бурении десяти скважин в объединениях "Нижневолжскнефть". "Грознефть" и "Грузнефть".

Разработанная технология обработки бурового раствора вошла в составленный при участии автора руководящий документ "Инструкция по применению модифицированного каустическим магнезитом гуматно-калиевого реагента ГГСР-М для обработки'буровых растворов"- РД 39-0148052-553-89 , введенный приказом Миннефтепрома от 01.01.89.

Экономический эффект от применения гуматно-калиевого раствора с каустическим магнезитом при бурении двух скважин в ПО "Грознефть" в 1986 г. составил 139 тыс.руб.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических совещаниях в ПО "Нияневолжскнефть" (г. Волгоград, 1985 г.) и ПО "Мангышлакнефть" (г. Шевченко, 1986 г.), на Ш, Ш! и XIX научно-технических конференциях молодых ученых и специалистов ВШИБТ в 1985, 1987.и 1988 гг.' (г. Москва) и на коллоквиуме лаборатории физико-химии буровых растворов (г. Москва, 1989 г.

Публикации. Основное .содержание диссертации изложено в 8 печатных и 4 фондовых работах.

Объем работа. Диссертационная работа состоит 'аз ввэде- • ния, четырех разделов, основных выводов, списка литературы, . включающего IC6 'наименований, п приложения. Работа изложена на 132 страницах машинописного текста, содержит 30 рисуягяв и 24 таблйцц.

СОДЕРЖАНИЕ ■ РАБОТЫ

Во введении дается краткое обоснование актуальности выбранной теш научного исследования.

В первом разделе приведен анализ современного состояния проблемы исследования гуматных реагентов применительно-к вопросам бурения. Работы в этой области начались еще более- полувека назад, когда советские ученые B.C. Баранов и 3.IÎ. Букс предложили применять щелочнуи вы^яаку из бурого угля для химической обработки прошвочной вддкости.- Впоследствии большой вклад в разработку и повышение эффективности гуматшх реагентов, технологию приготовления ж применения буроЕых растворов на их основе внесла советские ученые: А.М. Аванесова, Э.Г.Ага-бельянц, И.Б. Адель, А.Н. Ананьев, O.K. Ангвлопуло, В.Д. Го-родаов, М.М. Гурвич, Г.Я. Дедусенко, Д.Е. Злотннк, С.Ю. Зухо-вицкий, Э.Г. Кистер, H.H. Круглицкий, А.К. Мисваряи, Л.К. Мухин, P.C. Лернер, М.И. Липкес, И.И., Лштвая, К.Ф. Пауе, А.И. Пеньков, B.D. Третиншш, Е.Д. Щеткина и другие. За рубежом над этой проблемой работали Д.Л. Кеннеди, Э.И. Кроули, Т.С. Мондшайн, 1.7. Ран, Б. Парис, 7.С. Фирш, Н.У.. Фртк и другие.

В исследованиях по совершенствовании гуматных реагентов можно выделить три основных направления.

Работы первого направления - по улучшению качества исходного сырья к технологии приготовления г^загов - бшш нацэ-

лвны на выделение активной части гуминовых веществ и получение конечного продукта с высоким содержанием в нем растворимых гуиатов, определяющих эффективность реагента как стабилизатора глинистых растворов.

~ ^тпрп^нятгря-адрттр приставлено комбинированием 17матов с. другими реагентами (лигносульфонатагли, полисахарид шли, ак-рилатами и другими), которое усиливает стабилизирующую сдо-соиность и многофункциональность химической обработки и отчасти пвре1фывает недостатки отдельных реагентов.

Большой интерес представляет третье направление - модифицирование гуматнь.х реагентов путем изменения химического состава и структуры введением в их состав соединений щелочноземельных и переходных металлов - комплексообразователей или новых функциональных групп с целью повышения устойчивости к .температурному воздействию и агрессивным средам, усиления ин-гибируицего и разжижающего действия, улучшения .других функций гуматов.

Несмотря на многочисленные и в целом плодотворные исследования гуматных реагентов, до последнего времени не удавалось устранить главный недостаток гуматов натрия - разупроч-нянцего и диспергирующего действия на проходимые породы. Поиски выхода из создавшегося положения привели к плодотворной вдее о синтезе калиевых гуматов, где коренное повышение качества реагента достигается заменой иона натрия на ион калия, что переводит гуматы в класс ингибируюпщх реагентов. Однако низкая устойчивость гуматно-калиевых буровых растворов к температурной и полиминеральной агрессии, склонность гуматов калия к структура образов анию, увеличивающемуся по мере роста их концентрации, затрудняет использование гуматно-калиевых

реагентов в практике бурения и приводит к поиску методов обеспечения термостойкости, разжижающего действия и реологической стабильности гуматов калия. Указанные проблем еще более усугубляется отсутствием систематических исследований физико-химических и структурообразующих свойств гукатов калия, механизма взаимодействия.и стабилизации ими гжлистых суспензий, сложных процессов, протекающих в гуматно-калиевых буровых растворах при воздействии температуры.

В результате анализа современного состояния проблемы были сформулировали цель и задачи исследования, выполненного в настоящей работе.

Во втором разделе в целях выяснения причин загущения н нетермостойкости гуматно-калиевых растворов проведено исследование реологических свойств как в самих гуматных реагентах . (ГКР и УЩР), так и в глинистых суспензиях, обработанных ими.

Полученные в результате реологического анализа количественные зависимости вязкости водных растворов ПСР и УЩР показали, что гуматы калия обладают значительно более высокой интенсивностью структурообразования и концентрационного загущения и низкой устойчивостью к воздействию температур и сдвиговых градиентов по сравнению с гуматами натрия. При этом установлены общие тенденции в реологическом поведении водных растворов гуматных реагентов, характеризующихся переходом от жидкообразных к твердообразнш, структурированным системам, аналогичным фазовым превращения;,!, происходящим в дисперсиях мицеллообразувдих поверхностно-активных веществ (ПАВ) и высокомолекулярных соединений (ШС). Динамику реологии и склонность к структурообразованшо у ГКР-с позиций мицеллообразо-вания следует объяснить особенностями физико-химической при-

рода гуматов кадия, отличащихся низкой гидратироваяностью и слабой связью иона калия с'функциональными группами, что создает благоприятные условия для образования водородных связей и гидрофобных контактов ароматических ядер между ассоциа-тами гуматов калия.

Исследования механизмов взаимодействия и стабилизации-

гуматно-калиевым реагентом глинистой суспензии показали, что хотя ГКР значительно превосходит УЩР по адсорбции на глине, а также ингибированию набухания ж диспергирования глинистых сланцев, физико-химические особенности гуматов калия определяют реологическую несостоятельность ГКР и в составе бурового раствора.

Влияние ГКР на реологические свойства глинистых суспензий носит экстремальный характер с ярко выраженным минимумом вязкостных и.структурных показателей.при 1,5-2,5^-ом содержании реагента и последующим интенсивным ростом реологических параметров, начиная с Z%.

При сохранении общих закономерностей на реологические свойства гуматно-калиевых растворов существенно влияет минералогический состав глин. Более активное действие ГКР оказывает на суспензии гидрослвдистой дружковской глины, обеспечивая в концентрации 2% е- термостойкость и низкие структурные характеристики в диапазоне температур 20-100° С и,что особенно ценно, снижая наименьшую ньютоновскую предельно разрушенной структуры. В случае же раствора саригюхского бентонита обработками ГКР не удается существенно снизить прочность коагуля-ционно-тиксотропной структуры и ликвидировать температурный гистерезис реологических свойств.

Температурное воздействие - нагрев до 100° С с последующим охлаждением приводит к гистерезису реологических характе-

и

ристик гумат-калиевых растворов и усиливает описанные эффекты с сохранением их. динамики.

Лабораторные реологические исследования подтверждаются промысловыми данными, где передозировка гуматно-калиевого реагента и повышение забойных температур вызывают катастрофическое загустение раствора, особенно при простоях буровой,, что в ряде случаев не позволяет обеспечить достаточного содержания ГКР - поставщика попов К+, - необходимого для предотвращения осыпей и обвалов в неустойчивых разрезах.

Третий раздел посвящен разработке и исследованию модифицированного гуматно-калиевого реагента и термостойкого ингиби-рущцего бурового раствора на его основе.

Характер изученных процессов и испытание широкого спектра модификаторов различной природы привели к выбору оксида ■ магния, введение которого в ГКР обеспечивает наибольший эффект в повышении термостойкости и реологической стабильности реагента, предотвращении концентрационных загустеваний и значительно превосходит при этом известные методы регулирования реологических характеристик гуматных растворов при высоких температурах - известкование, обработки хромпиком и традиционными понизителями вязкости, добавки некоторых ПАВ. Кроме, того, модифицирование ГКР оксидом магния снижает набухание и диспергирование глинистых сланцев в гуматно-калиевом растворе в большей степени, чем введение соединений аллшиния, железа, меди и других ингибгоутощих добавок. Другим положительным качеством является дешевизна и доступность технического аналога оксида магния - каустического магнезита, являющегося отходом производства огнеупорных изделий.

Испытание модифицированного реагента (ГКР-М) в реометре

показало, что оксид магния устраняет концентрационное загусте-вание гуматов калия- ж обеспечивает его устойчивость к температуре и сдвиговым напряжениям. Водные растворы ГКР-М характеризуются на 1-2 порядка меньшими вязкостями при различных скоро-~тят-сдвйга-4$ри_адшщшщ1]ш нелинейности кривых

течения по сравнению с ГКР, что указывает на укрупнение агрегатов ассоциатов -гуминовых кислот и блокирование М ф 0 у :аст-ксз, склонных к межассоцнатным взаимодействиям.

Выводы о глубоких изменениях структуры гуматов калля подтвердили и дополнили физико-химические исследования ГКР-М. Анализ молекулярно -массового распределения ГКР-М методом гель-фильтрации на сефадексах показал увеличение вдвое содержания высокомолекулярной фракции с Ш > 100000 в модифицированном реагенте. Анализ адсорбции метиленовой сини определил снижение у ГКР-М катионообменной емкости в 2 раза, что наряду с увеличением удельной электропроводности его растворов по сравнению с суммарной электропроводностью ГКР и МфО, а также данными ИК-спектроскопии указывает на взаимодействие реакционно-способных полярных групп гуминовых кислот (-С00Н и -ОН) с поверхностью частиц оксида магния вследствие нескомпенсиро-ванности валентных связей на поверхности М^О.

Укрупнение макромолекул гуминовых веществ в совокупности с другими физико-химическими эффектами свидетельствует об образовании гуматами калия с оксидом магния молекулярных комплексов различной природа.

В проблеме перехода к промышленному реагенту необходимо было решить вопрос замены в ГКР-М дефицитного и дорогостоящего оксида магния на его технический аналог - порошок магнезитовый каустический (ПМК) и определить оптимальное содержание и тех-

»логические допуски на концентрацию ШК в реагенте. Технологе екая эффективность образцов ГКР-М, модифицированных каустическим магнезитом, оценивалась по 5 выходным параметрам, характеризующим разжижающее, термостабилизирующее и ипгибирую-iee действие, - асимптотическая вязкость обработанной глинистой суспензии до и после-прогрева до 200° С, прочность -10-ш-1утной структуры при 200° С, показатель фильтралди при 150° С . i диспергирующая способность системы. В качестве критерия оптимизации использована обобщенная функция желательности Хар-жнгтона, количественно определяющая качество исследуемого объекта с несколькими выходными параметрами.

В результате преобразования экспериментальных данных высокотемпературных исследований в безразмерные величины по предложенной шкале предпочтительности была вычислена обобщенная' рункция желательности и количественно определена ее зависимость от содержания ШК в ГКР-М, в результате анализа которой Зыла установлена оптимальная концентрация каустического маг-íe зкта в реагенте, составившая 22,2$, при диапазоне технологи-теского допуска 19,7-24,7$.

Исследование модифицированного каустическим магнезитом реагента в составе глинистой суспензии обнаружило его высокую разжижающую и стабилизирующую способность: ГКР-М узе в коли- • гестве 2% на порядок снижает низкоградиентную вязкость и прочность структуры системы и переводит глинистые суспензии различного минералогического состава в класс жидкостей со слабо-выраженным неныотоновским характером кривых течения с низкой асимптотической вязкостью и минимальной прочностью структуры. Цальнейшй ввод реагента до 10% не меняет заметным образом реологию системы.

Высокотемпературные реологические исследования, модельных систем, обработанных ГКР-М, выявили сильный положительный эффект: реагент в концентрации 5-10$ обеспечивает термостойкость глинистого раствора различной минералогии до 200° С. При этом _с^ростом температуры до 120-175° С вдет экспоненциальное снижение вязкости при постоянстве тшшоТрШИ1гг~чте-^вдетелЕ>с1=_

вует о подавлении коагуляцконного агрегирования глинистых частой. Дальнейший нагрев до 200° С усиливает коагуляционно-тик-сотрошше взаимодействия в системе и сопровождается допустимым ростом прочности структуры, низкоградиентной вязкости и нелинейности кривых те"ения, т.е. общим улучшением реологии. Повышение сдвигового разжижения и тиксотропии в сочетании с минимальными значениями асимптотической вязкости (2-5 мПа-с) при температуре 150-200° С обеспечивает хорошую очистку забоя, необходимую выносную и удерживающую способность гуматно-ка- . лиевого раствора. Отсутствие гистерезиса реологических характеристик наряду с постоянством относительной вязкости во всем рлкде нагрева - охладдения свидетельствует о стабильности внутренней структуры системы.

Анализ динамики тиксотропии глинистых суспензий, обработанных ГКР-М, показал, что прочность геля в функции времени аппроксимируется степенными одночленами и имеет единую закономерность нарастания структуры как для начальных сроков (до 5-15 мин.), так и для последующей стадии упрочнения (до 7 суток). Установленные зависимости дают возможность прогнозировать статическое напряжение сдвига по краткосрочным замерам, что позволяет ориентировочно оценить давление страгивают на насосах при восстановлении циркуляции.

Фильтрационные характеристики глинистых суспензий различного минералогического состава, обработанные ГКР-М в кон-

центрации 5-10$, находятся на приемлемом уровне во всем дна-4, пазоне исследованных температур 20-200° С: даже при 200° С объем фильтрата -за 30 мин. не превышает 20-25 мл. При высоких температурах закономерность нарастания фильтрации во времени описывается степенным уравнением. Химический анализ фяльтра-тов, футатов и сухих остатков суспензий, обработанных ГКР-М и ЖР, подтверждает факт укрупнения гуматов калия в присутствии оксида магния, и в водной (¡.азе глинистых суспензий и указывает на образование в растворах с модифицированным реагентом значительно более мощных адсорбционных слоев, что в совокупности с установленными реологически™ и физико-химическими овойстваш модифицированных гуматов калия объясняет их силь-; эе стабилизирующее и разжигающее действие в составе суспен-:"й глин.

Термостойкость и реологические свойства обработанных '. СМI глинистых растворов существенно'зависят от мкнерологи-

зского состава системы и в определенной степени отражают реологические свойства чистых суспензий глин. Наиболее актиьно I Т-М воздействует на глины распространенного гидрослюдисто-к.олинитового класса, кратно снижая' наименьшую ньютоновскую вя 'кость предельно разрушенной структуры и обеспечивая реоло-гет 'скую стабильность и низкие структурные свойства систе5 i до ¿S0° С уже при содержавши ГКР-^Л 4-5$. Повышение содержания монтмслиллонитовой фракции при постоянстве обменной емкости глшшстиго компонента активизирует коагуляпионно-тиксотропнъе процессы в системе при 150-200° С.

В бентонитовых растворах с той же коллоидной состг-. щей, обработанных 5%-ма ГКР, нагрев до 200° С приводи желательному росту прочности структуры и увеличению во,.

че, а-последующее охлаждение сопровождается значительным гистерезисом реологических ж фильтрационных характеристик. Повышением концентрации ГКР-М до 8-1С$ достигается термическая устойчивость бентонитового раствора при 200° С. Однако с уве-тгртчгури^^-^япЕт раагента_^аблзздается ростконсистенции систем в 1,5-2,5 при незначительном снижении высокотемпературной фильтрации и прочности структуры при 200° С.

Повысить термостойкость и снизить реологические показатели бентонитовых и, в целом, глинистых растворов во всем диапазоне температур от 20 до 200° С удается при предложенном наш раздельном вгэде ГКР (или ГКР-М) и каустического магнезита, который позволяет достичь требуемых технологических свойств системы при в 2 раза меньшем содержании гуматного реагента.

При комбинированной обработке ГКР и ПМК для достижения максимальной термостойкости необходимо поддерживать в буровом растворе концентрации реагентов соответственно 3-6 и 1-3%. Соотношение компонентов различается в зависимости от минералогического состава системы. Бентонитовую суспензию следует обрабатывать гуматно-каллевым реагентом и каустическим магнезитом в соотношении 2:1, в то время как для раствора другков-ской глины более предпочтительно соотношение ГКР и ПМК - 3:1.

Несмотря на высокую технологическую эффективность раздельной обработки, в практике бурения значительно злобнее использовать один модифицированный реагент, который в большинстве случаев самостоятельно обеспечивает требуемые технологические показатели бурового раствора, добавляя совместно с ГКР-М каустический магнезит лишь при необходимости повышения термостойкости.

Для окончательного определения рецептуры раствора на основе ГКР-М следовало изучить закономерности и характер инги-бирующего действия модифицированного реагента и выработать концепцию регулирования и способы контроля ингибкруюшей способности и содержания реагента в системе, обеспечивающего' необходимое предупреждение диспергирования и набухания-глин.

Экспериментальный анализ диспергирующей и увлажняющей способности растворов с ГКР-М и кондуктометрические исследования установили взаимосвязь между ингибирующпми свойствами и удельным электрическим сопротивлением систеш, не зависящую от минералогии глины, а так же рецептуры, исходного сырья, способа изготовления и содержания ГКР-М в растворе. Эта связь, отражающая взаимозависимость ингиблрования, концентрации ионов калия в .дисперсионной среде и электропроводящих свойств систем, количественно описывается уравнением:

^ = ^ + , (I)

где N - количество диспергированного керна, %; - удельное электрическое сопротивление раствора, Ом«м; Сгд - дольная массовая концентрация глины; и Ко, - постояшше коэффициенты.

В свою очередь удельное сопротивление как глинистых, так

и водных растворов с ГКР-М в функции концентрации реагента

описывается степенным уравнением:

£ в -(2)

Р Сли-Сп) '

где С - концентрация ГКР-М, % масс; - удельное сопро-

тивление 1%-то водного раствора ГКР-М; ПЪ - показатель степени.

Предлояенпые формулы позволяют по значению удельного сопротивления и концентрации глины в растворе, а так же экспе-

риментально установленным зависимостям (I) и (2) для водных растворов ГКР-М оперативно определять ингибирумцую способность и содержание реагента в- растворе. Кроме того, на основании сопоставления формул (I) и (2) и самостоятельных исследо--ваний-намп- •количественно определена взаимосвязь диспергирующей способности с концентрацией реагента, которая справедлива кШ~ для гумат-глинистых систем, таи; и для водных растворов ГКР-М:

Еде Е ~ постоянные коэффициенты.

Увлажняющая способность растворов с ГКР-М описывается уравнениями, аналот-ичныш (I) и (3).

Как видно из формулы (3), с ростом содержания ГКР-М в растворе вклад каждого последующего процента реагента в подавление диспергирования и набухания уменьшается. Одновременно с повышением концентрации ГКР-М наблодается некоторый рост вязкости, в том числе и асимптотической, характеризующей эффективность раствора как гидродинамического агента. Сопоставлешю концентрационных зависимостей ингибирующих свойств, выходящих на насыщение, и вязкости, аппроксимирующейся экспоненциальной функцией, указывает на существование оптимальной концентрации.

С технико-экономических позиций этот оптимум должен обеспечивать минимум затрат материалов и времени на обработку раствора, на которые повышение концентрации сказывается двояко. С одной стороны, уменьшение .диспергирования выбуренной породы снижает наработку объема бурового раствора и, соответственно, затрат на его обработку. С другой стороны, рост вязкости приводит к необходимости разбавлений, дополнительной обработке и утяжелению. Поэтому в качестве критерия оптимизации Р (С-) было выбрано произведение двух функций, представляющих собой

концентрационные зависимости диспергирующей способности и асимптотической-вязкости:

Р(С) (4)

Оптимальная концентрация реагента в буровом растворе-оп- • ределяет'ся минимизацией функции Р(С). Практические расчеты по применению опытных заводских партий реагента при разбуриваниз сарматских и чокракских отложений в ПО "Грознефть" дали оптимум при 4-5% ГКР в буровом растворе.

Для определения технического уровня разработанного реагента и бурового раствора на его основе было проведено сравнение технологических свойств системы с ГКР-М и растворов, обработанными серийно выпускаемыми отечественными и зарубежными аналогами. Исследование высокотемпературной реологии показало, что ГКР-М лишен недостатков, присущих большинству' гуматов калия (ГКР (СССР), Бэйсик-К (США), Калий-гумат (ВНР)), склонность к структурообразованию и термическая нестабильность которых приводит к катастрофическому загустеванию растворов на их основе и выходу реологических характеристик за рамки технологически допустимых после нагрева до 100-150° С и увеличения концентрации реагентов до Ъ%. Более, того, полученный реагент по своему раа-килсащему и термостабилизирующему свойству значительно превосходит даже лучшие образцы модифицированных гуматннх реагентов, таких как: Термогумекс (ВНР) и Дралиг (ЧССР), обеспечивая в 2-3 раза меньшие значения статического напряжения даига и эффективной вязкости (в том числе и ответственной за очистку забоя асимптотической вязкости) . глинистого раствора на основе ГКР-М в диапазоне температур 20-200° С.

Помимо этого, ГКР-М эффективнее снижает водоотдачу и .

толщину фильтрационных корок растворов при высоких температурах, а также диспергируемость глинистых сланцев по сравнению с серийно выпускаемыми гуматными реагентами.

В четвертом разделе приведены результаты промысловых ис-днтяттй^равработаннойсистемы бурового раствора.

Апробация комбинированной обработки бурового раствора--

ГОР и ШК была успешно осуществлена в ПО "Никневолкскнесть" щг: бурении пяти глубоких сквакин под эксплуатационную колонну: 20-ой Романовской в интервале - 1404-3700 м, 74-ой Восточно-Уметовской в интервале - 1819-4600 м, 3-ей Мирной в интервале - 1524-4412 м, 81-ой Антшюво-Балыклейской в интервале - 2129-4800 м, 4-ой Федоровской в интервале - 25104446 м. Высокая ингибирувдая способность модифицированного каустическим магнезитом гуматно-калиевого раствора позволила снизить осложнения при бурении в горизонтах, склонных к осыпям и обвалам, и обеспечила лучшее качество ствола по сравнению со скважинами той же площади, пробуренных с использованием традиционных хлоркалыдаевых и гуматно-калыдаешх систем. В ходе бурения поддерживались более стабильные, чем на базовых, реологические и технологические характеристики бурового раствора, легко регулируемые добавками ГКР и магнезита. Это позволило в 2-3 раза сократить затраты времени на обработку и приготовление раствора, промывку и проработку ствола скважины. Одновременно при внедрении гуматно-калиевого раствора с каустическим магнезитом отмечено увеличение на 30-5проходок на долото, которое объясняется в том числе и способностью ГКР-М снижать вязкость предельно разрушенной структуры глинистых растворов, что благоприятно сказывается на очистке забоя скважины и работе долота.

Исключение из рецептуры раствора с ГКР-М КССБ и кратное сокращение использования- КЩ наряду с повышенной стабильностью и недаспергирущйми свойства™ объясняет значительное ( на 30-4Сй) снижение стоимости материалов для обработки растворов.•

Технологическую эффективность разработанной системы подтвердили испытания в ПО "Грузнефть" совместной обработки ГКР с ШК при бурении скв. 27, Катесхеви в интервале 850-1905 н. Здесь высокие стабилыше показатели раствора были достигнуты при более чем двухкратном снижении расхода реагентов как в весовом, так и стоимостном выражении по сравнению с базовой скважиной, где применялся углещелочной и известковый растворы. Универсальность обработки ГКР с ПМК, сочетающей ингибирующее и стабилизирующее действие,позволила заменить 8 реагентов, применявшихся на базовой скважине в этих целях, на 2, что кардинально упростило регулирование раствора, обеспечив при этом 20^-ое сокращение затрат времени на промывку, обработку и приготовление бурового раствора.

Испытание гуматно-калиевого реагента, модифицированного каустическгал магнезитом, в ПО "Грознефть" были проведены на скв. II и 21, Северо-Брагунские и 31, Минеральная при бурении под первую промежуточную колонну соответственно на глубины 3350 м, 2892 м и 2530 м и скв. 22, Северо-Брагунская в интер- -вале 0-2764 м. При этом на скв. II и 22, Северо-Брагунские был осуществлен совместный ввод ГКР с ПМК, а на скв. 31, Минеральная и 21, Северо-Брагунская испытывазшсь опытные партии модифицированного реагента, выпущенные на Семеновском заводе горного воска по нашей технологии.

Обычные здесь осложнения связаны с наличием в разрезе пластичных сарматских глин, склонных к осыпям, обвалам и

оаньннвэобразованиям, и отложениями карагано-чокрака, представленными песчаником и вязкими глинами, легко переходящими в раствор, что обуславливает применение в этих горизонтах ингнбированных известковых растворов.

~ Щж~^уре?шв-ештп_скйа^ш_£аствор чутко реагировал на обработку гуматно-калиевым реагентом, модифицированным каустическим мазздззитом* что обеспечивало стабильные технолог!- ческие параметры бурового раствора, соответствующие ГГН, несмотря на высокое содержание глинистой 4азы в растворе - показатель коллоидной составляющей 5-6$, и позволило весь интервал пробурить с использованием одного реагента - ГКР-4Л - регулятора структурно-механических свойств, водоотдачи и ингибитора, что значительно упростило■обработку бурового раствора. Б то же время при проводке скв. II, 21 и 22, Северо-Ерагунские и 31, Минеральная не наблюдались осложнения, характерные для промывочной жидкости с ГКР, выражающиеся в загущениях бурового раствора, осыпях и сальникообразованиях,

■ '' При бурении опытных скважин в ПО "Грознефгь" было достигнуто сокращение расхода реагентов на 25-40% и утяжелителей -на 40-60% по.сравнению с базовыми скважинами при идентичных параметрах буровых растворов. Стабильность показателей и простота обработки раствора ГКР-М обеспечили также 25%-ое сокращение затрат времени на промывки, обработку к приготовление бурового раствора.

Экономическая эффективность от применения ГКР с каустическим магнезитом на скв. II и 22, Северо-Брагунские составила 139 тыс.рублей.

В приложении представлен расчет экономической эффективности, а такЕУ руководязрш документ РД 39-0148052-553-89.

ОСНОВНЫЕ ЕЫВОДН

1. Разработан термостойкий, лнгнбирущий буровой раствор на основе гумат-калиевого реагента модифицированного оксидом магния. .

2. Модифицирование гуматно-калиевого реагента оксидом магния или его техническим аналогом каустическим магнезитом приводит к изменений его физико-химической структуры, обеспечивает реологическую и термическую стабильность реагента.

3. В результате решения оптимизационной задачи определены технологические допуски на содержание каустического магнезита в ГКР-М - 19,7-24,7%, обеспечивающие выпуск технологически эффективного реагента и гарантирующие минимум влияния заводских отклонений на качество-конечного продукта.

4. Исследованиями высокотемпературной реологии и фильтрации установлено, что 'ГКР-М в концентрации 5-105? обеспечивает термостойкость и реологическую стабильность глинистых растворов различного минералогического состава до'200°'С.

5. На основании количественно установленных концентрационных зависимостей ингибирующих и реологических свойств гуматно-глинистых систем, предложен метод определения оптимальных концентраций ГКР-М, обеспечивающих минимизацию затрат материалов и времени на обработку бурового раствора.

6. В процессе физико-химических исследований, обнаружена и количественно установлена взаимосвязь удельного электрического сопротивления системы с диспергированием и скоростью увлажнения глин и содержанием в, растворе гуматно-калиевого модифицированного реагента. На этой основе разработан оперативный метод определения ингибируицей способности бурового раствора, обработанного ГКР-М.

7. Для промысловых условий разработан способ и технология раздельной обработки бурового раствора ГКР или ГКР-М и каустическим магнезитом, который при меньших концентрациях гуматного реагента обеспечивает термостойкость и снижает рео-

юн£Чвсю1алюк§затеот_11ри высоких температурах по сравнению

с обработкой одним ГКР-М.

в. Промышленные испытания термостойкого ингибируюигго бурового раствора на основе модифицированного каустическим магнезитом гуматно-калиевого реагента, проведенные при бурении глубоких скважин в ПО "Нижневолжскнефть", "Грознефть" и "Грузнефть", показали

- высокую стабильность реологических и фильтрационных свойств раствора в условиях забойных температур до 150° С, обеспечивших сокращение на 20-40£ затрат времени на работы с раствором и в 1,5-2 раза расход материалов и реагентов;

- повышение ингибирующих свойств раствора, обеспечивших стабильность стенок скважин в неустойчивых разрезах, сложенных водочувствительными глинами к аргиллитами.

Экономический эффект от применения разработанного раствора при бурении опытных скважин в ПО "Грознефть" составил 139 тыс.руб.

• 9. Для промышленного использования раствора составлен руководящий документ РД 39-0148052-553-89, введенный приказом Миннефтепрома от 01.01.89.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

I. Ганкин В.Э. Реологические исследования растворов для сверхглубокого бурения // Сб. научн. тр. /.ВНИИБТ. - 1985. -Вып. 60: Исследование, совершенствование и использование новой буровой техники - С. 87-92.

2. Артемова В.Н., Ганкян В'.Э. Результата промысловых испытаний отечественного- гуматно-калиевого реагента. - М., 1987. - 7 с. - Деп. в ВНИИОЭНГ'17.04.87, Ъ 1398 - нг87.

3. Опыт промышленного применения гуматно-калиевого реагента для'обработки буровых растворов в ПО "Мангышлакнефть" / Артемова В.Н., Басанов-А.Н., Овчинский К.Ш., Ганкин В.Э.

// Экспресс-информация / ВНИИОЭНГ. - 1988. - Техника и технология бурения скважин (отечественный опыт) - Л 4. - С. 14-16.

4. Ганкин В.Э. Гуматно-калиевый реагент для буровых растворов: Информ. листок Л 184 - 88. - М.: ЦНТИ, 1988. - 2 с.

5. Ганкин В.Э. Модифицированный гумат в промысловом бурении // Тезисы докл. к Зсесоюзн. научя.-^гехн. конф. молодых ученых и специалистов / ВШИКРнефть. - Краснодар, 1988. -Строительство нефтяных и газовых скважин. - С. 31.

6. Ганкин В.Э., Чиж А.Ю. Исследование и управление коллоидальностью буровых растворов для повышения механической скорости // Тезисы докл. к Всесоюзн. научи.-техн. конф. молодых ученых и специалистов/ ВНИИКРнефть.. - Краснодар, 1988. - Строительство нефтяных и газовых скважин. - С. 30.

7. Ганкин В.Э., Артемова В.Н., Щипанов В.В. и др. Опыт применения гуматно-калиевых буровых растворов с добавками каустического магнезита в ПО "Нижневолжскнефть" // Экспресс-информация / ВНИИОЭШ?. - 1988. - Техника и технология бурения скважин (отечественный опыт) - № II. - С. 9-12..

8. Инструкция пс применению модифицированного каустическим магнезитом гуматно-калиевого реагента (ГКР-М) для обработки буровых растворов. РД 39-0148052-553-89 / Липкес М.И., Тарханов Я.И., Ганкин В.Э., Басанов А.Н. - М.: ВНИИБТ, 1989. -9 с.