научная статья по теме ИНГИБИРУЮЩИЕ БУРОВЫЕ РАСТВОРЫ И УСТОЙЧИВОСТЬ ГЛИНИСТЫХ ПОРОД Геофизика

Текст научной статьи на тему «ИНГИБИРУЮЩИЕ БУРОВЫЕ РАСТВОРЫ И УСТОЙЧИВОСТЬ ГЛИНИСТЫХ ПОРОД»

L БУРЕНИЕ СКВАЖИН

L А

УДК 622.244.442.063.2:678.7

© Коллектив авторов, 2015

Ингибирующие буровые растворы и устойчивость глинистых пород

А.А. Хуббатов, А.М. Гайдаров, А.Д. Норов, М.М-Р. Гайдаров

(ООО «Газпром ВНИИГАЗ»)

Адрес для связи: A_Khubbatov@vniigaz.gazprom.ru, A_Gaydarov@vniigaz.gazprom.ru, A_Norov@vniigaz.gazprom.ru, М_Gaydarov@vniigaz.gazprom.ru

Ключевые слова: ингибирование, буровой раствор, глинистая порода, бурение, исследование, полимер.

The inhibiting drilling muds and stability of clay rocks

A.A. Khubbatov, A.M. Gaydarov, A.D. Norov, M.M.-R. Gaydarov (Gazprom VNIIGAZ LLC, RF, Moscow)

E-mail: A_Khubbatov@vniigaz.gazprom.ru, A_Gaydarov@vniigaz.gazprom.ru, A_Norov@vniigaz.gazprom.ru, [VI_Gaydarov@vniigaz.gazprom.m

Key words: inhibition, drilling mud, clay rock, drilling, research, polymer.

The article considers inhibiting properties of drilling muds and stability of walls of wells. Traditionally used inhibiting drilling muds at well drilling in thicknesses of swelling clay rocks do not reduce operating time of excess mud volumes and do not provide stabilization well bore. For the first time, it is offered, the developed drilling muds stabilized cationic the polymers, not having analogs, one of which updating has successfully passed trade tests on well of No. 939 Astrakhan gas-condensate field.

Наибольшие осложнения при бурении скважин связаны с интервалами залегания неустойчивых глинистых пород - пластичных глин и хрупких аргиллитовых сланцев.

В отличие от глин сланцы при контакте с буровым раствором не набухают, не диспергируют, не пластифицируются, сохраняют состояние хрупкого тела [1]. Очевидно, потеря устойчивости стенок ствола скважины в пластичных и хрупких породах под воздействием бурового раствора проявляется по-разному: в глинах - в виде сужений, вывала, обвала; в сланцах - в виде осыпаний, обвала, кавернообразований. Каверны, образованные в глинах, со временем самозалечиваются, затем процесс набухания и обвала повторяется, таким образом, отмечается определенная цикличность в отклонении диаметра скважины от номинального. В неустойчивых хрупких сланцах разупрочнение на стенках ствола только увеличивает диаметр скважины, самозалечивания каверн не происходит, и с течением времени размеры каверн увеличиваются. Следовательно, способы стабилизации неустойчивых глин и сланцев на стенках ствола скважины должны различаться и не могут быть взаимозаменяемыми. В данной статье рассматривается физико-химический способ стабилизации глин на стенках скважины.

Под воздействием бурового раствора набухающие глины увлажняются, что приводит к сужениям, сальнико-и желобообразованиям и др. Глины, особенно набухающие и диспергирующие, легко переходят в буровой раствор, увеличивают содержание коллоидной и твердой фаз, повышают структурно-реологические показатели, ухудшают смазывающие свойства. При проходке таких глин требуются периодические разбавления раствора, так как очистные устройства низкоэффективны. Периодические разбавления раствора приводят к перерасходу химических реагентов, наработке избыточных объемов раствора, которые необходимо утилизировать и др.

Для бурения интервалов пластичных глин и сохранения их устойчивости разработано множество ингибирую-щих буровых растворов. Основное их назначение - снижение набухания и диспергации глин, минимизация влияния глинистого шлама на структурно-реологические и фильтрационные показатели раствора. Бурение скважин в мощных толщах глинистых пород всегда и везде сопровождается наработкой избыточных объемов раствора, несмотря на применение высокоингибирующих систем. По мнению авторов, наиболее целесообразно в промысловых условиях ингибирующие свойства раствора оценивать по избыточному наработанному объему раствора, накопленному в процессе бурения интервала: чем больше этот объем, тем хуже ингибирующие свойства раствора и наоборот. Если используемый буровой раствор не образует наработанный объем в процессе бурения, то он эффективен для данного разреза.

Многие специалисты придерживаются мнения, что улучшение ингибирующих свойств бурового раствора повышает устойчивость ствола скважины в глинистых породах. Однако, как показывает практика, применение бурового раствора с высокими ингибирующими свойствами не гарантирует стабилизацию пластичных глинистых пород на стенках ствола скважины [2].

Часто эффективность буровых растворов определяют по известной методике таблеток-образцов глинистых пород.

Рассмотрим испытания гидратационно-активных (сухих) таблеток-образцов, изготовленных из болгарского бентонита, в различных жидкостях (рис. 1). Таблетки-образцы были выдержаны в среде жидкости в течение 20 мин: в воде они набухли, но сохранили целостность (см. рис. 1, а); в 5%-ном водном растворе хлорида калия полностью разрушились (см. рис. 1, б), в 5%-ном водном растворе хлорида кальция частично сохранились (см. рис. 1, в). При этом по ингибирую-щим свойствам рассмотренные жидкости располагают-

Рис. 1. Устойчивость гидратационно-активных таблеток-образцов, изготовленных из болгарского бентонита, в различных средах:

а - вода; б - 5%-ный водный раствор хлориде калия; в - 5%-ный водный раствор хлорида кальция; г - 0,3%-ный водный раствор КМЦ В; д - 0,3%-ный водный раствор биополимера «Биоксан»; е -1%-ный водный раствор «Росфлок ПВ»

ся в следующем порядке: (вода + 5%-ный KCl) > (вода + 5%-ный CaCl2) > вода. Такой результат не совпадает с существующим мнением о влиянии ингибирующих свойств раствора на устойчивость глин. Потеря устойчивости таблеток объясняется тем, что водная фаза впитывается в глину, проникает между структурными элементами и ослабляет силы сцепления между частицами, но в тоже время образует новые связи между ними - водородные, которые направлены на удержание частиц. Жидкость, формирующая больше по количеству и прочности водородных связей между структурными элементами глины, обеспечивает устойчивость изучаемого образца глины более длительное время. Однако чем больше водородных связей между частицами глины, тем больше она набухает и наоборот.

Согласно О.Я. Самойлову ион-дипольное взаимодействие между ионами и дипольными молекулами воды может привести к положительной или отрицательной гидратации [3]. Энергия ион-дипольного взаимодействия ионов с молекулами воды зависит от заряда и размера иона. При одинаковом заряде ионов энергия взаимодействия молекул воды с катионами выше, чем с анионами. Эффективность такого взаимодействия можно косвенно определить по изменению подвижности (вязкости) воды в зависимости от концентрации электролитов. В промысловой практике в качестве ингибиторов набухания глин часто используют соли: хлориды натрия, калия, кальция, магния, аммония и др. Эти соли либо упорядочивают водную структуру, что проявляется в виде роста вязкости, либо разрушают ее, уменьшая вязкость.

Из всех солей, которые используются для обработки буровых растворов, максимальное упорядочивающее воздействие на молекулы воды оказывают магниевые соли, в то время как калиевые и аммониевые - разупо-рядочивающее. Таблетки-образцы в растворах хлорида калия разрушаются быстро и без набухания. В водном растворе хлорида кальция происходит разрушение водородных связей между частицами, т.е. целостности образца, и с небольшим опозданием начинается формирование новых водородных связей за счет электростатических взаимодействий катионов кальция. Вновь формирующиеся водородные связи между частицами глины не способны остановить начавшийся процесс разрушения, оно только незначительно замедляется.

Для оценки ингибирующих свойств реагента авторы рекомендуют проводить экспресс-испытание по следующей методике. Образцы глин выдерживаются в водном растворе реагента-ингибитора (вода и 5%-ный раствор хлорида калия). Жидкость, в которой происходит быстрое разрушение образца глины, является более инги-бирующей, а реагент - более эффективным ингибитором набухания глин. Данная рекомендация противоречит современным представлениям о сохранении устойчивости и ингибировании глин. Так как в водных растворах полимеров глины сохраняют целостность более длительное время, образцы выдерживали по 5 ч. В 0,3%-ном водном растворе КМЦ В таблетка набухает, образец остается целым (см. рис. 1, г). В 0,3%-ном водном растворе ПАЦ В таблетка набухает больше, чем в водном растворе КМЦ В, образец остается целым. В 0,3%-ном водном растворе биополимера «Биоксан» таблетка набухает больше, чем в водном растворе КМЦ В, образец остается целым (см. рис. 1, д). В 1%-ном водном растворе «Росфлок ПВ» (аналог гипана) таблетка набухает максимально, образец остается целым (см. рис. 1, е).

Из практики известно, что максимальную устойчивость глинистым породам обеспечивают составы с акриловыми реагентами («Росфлок ПВ», гипан), хотя набухание глин в этих составах максимальное, т.е. реагенты обладают минимальными ингибирующими свойствами. В связи с этим, вероятно, оптимизированный состав должен сочетать акриловый реагент и ингибитор набухания.

Буровые растворы на водной основе относятся к стабилизированным системам, стабилизация которых осуществляется либо анионными, либо неионными полимерами. Сведения о буровых растворах на водной основе, стабилизированных катионными полимерами, отсутствуют. Теоретически системы, стабилизированные ка-тионными полимерами, более эффективны по многим показателям и свойствам.

Для предварительной оценки сочетания акрилового реагента, ингибитора и катионных систем проведены испытания частично увлажненных образцов-таблеток из болгарского бентонита в различных жидкостях (табл. 1). Ингибирующие свойства жидкости оценивались по изменению массы образца-таблетки, выдержанной в испытываемом составе раствора,

т = (т2 - т1) • 100%/т1,

где т1, т2 - масса образца соответственно исходного и выдержанного в испытываемой среде в течение 7 сут.

Из табл. 1 видно, что использование катионного полимера ЧАС и катионного полимера ЧАС с хлоридом

Таблица 1

Исследуемая среда Относительное увеличение массы образца через 7 сут, %

Вода 596,5

3%-ный водный раствор KCl 61,8

3%-ный водный раствор реагента «Росфлок ПВ

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком