щ
технологии
Современные аспекты применения ПАВ для повышения эффективности алмазного бурения нефтяных и газовых скважин
Г.Г. ИШБАЕВ,
генеральный директор
bit@burinteh.com
ООО НПП «Буринтех»,
А.Н. ХРИСТЕНКО,
инженер лаборатории буровых растворов
Akhrist@burinteh.com
А.В. ХРИСТЕНКО,
инженер лаборатории буровых растворов
Khristenko@burinteh.com
лаборатория буровых растворов ООО НПП «Буринтех»
В статье рассмотрены перспективы применения антисальниковых добавок и «интенсификаторов бурения»-специальных добавок, позволяющих увеличивать механическую скорость при бурении пластичных пород долотами PDC.
MODERN ASPECTS OF SURFACTANT USING TO INCREASE EFFICIENCY OF DIAMOND BIT DRILLING OF OIL AND GAS WELLS
G. ISHBAEV, A. KHRISTENKO, Al. KHRISTENKO, BURINTEKH SPE Co., Ltd.
The article examines using perspectives of anti-balling additives and «ROP enhancers» - special additives capable to increase mechanical speed when drilling flowing rock formation with PDC bits.
Keywords: drilling of flowing rock formation with PDC bits, drilling fluid, surfactant, adhesion, adsorption, forming of packing, reducers of rock strength, detergents, anti-balling additives, ROP enhancers
Основные объемы бурения долотами PDC в России приурочены к разбу-риванию горных пород невысокой прочности: мягких, средних и, в меньшей степени, твердых. Большинство разрезов скважин (особенно в Западной Сибири) сложено глинистыми породами на разных стадиях литогенеза. Такие породы при бурении буровыми растворами на водной основе склонны к размоканию, набуханию, прилипанию к долоту и элементам КНБК, образованию «сальников», тем самым снижая скорость бурения и приводя к различным осложнениям.
Специалистами ООО НПП «Буринтех» проделана и продолжает выполняться работа как по оптимизации конструктивных особенностей производимых PDC долот, так и по поиску других решений, способствующих увеличению механической скорости бурения и проходки на долото.
При бурении скважин долотами PDC в пластичных породах серьезным ограничением по повышению эффективности работ является проблема образования «сальников». На первое место по предотвращению «саль-никообразования» и увеличению допустимой скорости бурения в пластичных породах становится улучшение антисальниковых свойств бурового раствора. В настоящее время в России слабо изучены закономерности, а на рынке практически отсутствуют химические реагенты, препятствующие образованию сальников.
ОТ ДЕТЕРГЕНТОВ - ПОНИЗИТЕЛЕЙ ПРОЧНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД К АНТИСАЛЬНИКОВЫМ ДОБАВКАМ
Считается, что уменьшение энергоемкости процесса разрушения горных пород на забое может быть осуществлено за счет снижения их твердости. [орные породы не однородны по прочности в силу того, что имеют дефекты в кристаллической решетке, а также микротрещины, пронизываю-
щие кристаллы и расположенные по их границам.
Жидкость как внешняя среда, помимо очистки смачиваемых поверхностей, активно участвует в процессе механического разрушения горных пород, проникая в глубину твердого тела - в зону предразрушения, представляющую собой деформированные слои с повышенной трещиноватостью.
Активность жидкости может быть значительно повышена небольшими добавками к ней специальных веществ, получивших название понизителей твердости. Воздействие этих веществ на процесс разрушения горных пород основано на усилении физико-химического взаимодействия дисперсионной среды с развивающимися в процессе механического разрушения новыми поверхностями горной породы. Дисперсионная среда бурового раствора с добавкой понизителя твердости, проникая в зону предраз-рушения и распределяясь по микротрещинам, образует на поверхностях горной породы адсорбционные пленки (сольватные слои). Эти пленки производят расклинивающее действие в зонах, расположенных вблизи поверхности обнажаемых горных пород, вследствие чего создаются лучшие условия их разрушения. Чем сильнее при этом связь смачивающей жидкости с поверхностью тела, тем сильнее расклинивающее действие адсорбционно-сольватных слоев.
Понизители прочности (детергенты) - вещества, усиливающие моющее действие воды снижением ее поверхностного натяжения. Первыми детергентами были мыла, полученные из встречающихся в природе веществ, сейчас под детергентами обычно понимают синтетические вещества, по моющему действию сходные с мылами.
Обеспечивая расклинивающий эффект в зоне работы долота, понизители прочности пород одновременно помогают процессу дальнейшего диспергирования находящегося в циркуляции бурового шлама. В боль-
технологии
Рис. 1. Влияние антисальниковой добавки на снижение поверхностного натяжения на границе с воздухом и углеводородом
шинстве случаев это недопустимо, поскольку возникают проблемы с реологией раствора, его стабильностью и контролем твердой фазы, устойчивостью стенок скважины (повышенному диспергированию подвергаются также породы, складывающие стенки скважины).
Из рассмотренного действия стандартных детергентов - понизителей прочности горных пород становится понятно, что их применение в буровом растворе при бурении глинистых сланцев нежелательно, поскольку наряду с пептизацией «сальника» и снижением прочности пород возникает множество проблем с устойчивостью стенок скважины и сохранением проектных параметров бурового раствора. Несмотря на это, при разбуривании твердых пород, в отсутствие проблем с устойчивостью стенок скважины и излишним диспергированием выбуренного шлама, применение детергентов - понизителей прочности пород может приводить к повышению скорости бурения.
Тем не менее, при бурении пластичных пород растворами на водной основе для предотвращения прилипания частиц глинистого шлама к буровому инструменту и друг к другу необходимо применение современных антисальниковых добавок на основе ПАВ, не приводящих к диспергированию шлама. Такие поверхностно-активные вещества широко применяются в текстильной промышленности для придания гидрофобизирующих, водо- и грязеотталкиваю-щих свойств текстильным изделиям.
Гидрофобность - это физико-химическое свойство, при котором твердая поверхность имеет угол смачивания жидкостью 6 > 90° (6 - краевой угол смачивания жидкостью поверхности твердого тела). При обволакивании волокон гидрофобной пленкой вода не проникает внутрь ткани (подобного эффекта можно ожидать и с поверхностью глинистого шлама). Так реагенты-гидрофобизаторы образуют на поверхности глины полимолекулярный слой, обладающий высокой адгезией к глине и придающий поверхностям водоотталкивающие свойства.
К наиболее распространенным гидрофобизирующим агентам относятся соединения, образующие в воде эмульсии. При введении в водный раствор данные вещества осаждаются на поверхностях и сорбируются ими, заполняя поры и капилляры. Основные гидрофобизирующие соединения: 1) алкилированная янтарная кислота и ее производные; 2) эфиры жирных кислот и многоатомных спиртов; 3) производные оксикарбоновых кислот; 4) оксиэтилирован-ные жирные кислоты; 5) азотсодержащие соединения.
Современная «антисальниковая» добавка на основе ПАВ - это гидрофобизирующее средство с высокой адсорбционной активностью, предназначенное специально для буровых растворов. При использовании добавки в составе
Рис. 2. Влияние антисальниковой добавки на краевой угол смачивания на поверхности стекла и металла
промывочной жидкости во время бурения отсутствует эффект прилипания глин к буровому долоту и элементам КНБК. «Антисальниковая» добавка также улучшает смазывающие свойства бурового раствора. Влияние такой добавки на снижение поверхностного натяжения на границе «вода - воздух» и «вода - углеводород» по сравнению с большинством ПАВ незначительно (рис. 1).
При добавлении «антисальниковой» добавки в буровой раствор происходит формирование слоя ПАВ и на поверхности металла, контактирующего с буровой жидкостью. Полярные части молекул ПАВ ориентируются к поверхности металла, а неполярные алифатические радикалы - в сторону водной фазы, что приводит к гидрофобизации металла и образованию на его поверхности слоя адсорбированного активного вещества. В то же время краевой угол смачивания на стеклянной поверхности практически не меняется (рис. 2). Это говорит о том, что характер смачиваемости терригенного коллектора, в случае присутствия антисальниковой добавки в буровом растворе, не изменится и загрязнения призабойной зоны при вскрытии продуктивного пласта из-за действия ПАВ, входящих в состав добавки, не ожидается.
СМАЗОЧНЫЕ ДОБАВКИ И ИНТЕНСИФИКАТОРЫ БУРЕНИЯ
Было замечено, что использование добавок нефти снижает показатель фильтрации глинистого раствора; улучшает состояние ствола скважины; увеличивает механическую скорость бурения и срок службы долота; уменьшает момент на вращение колонны бурильных труб и способствует более полной передаче на долото осевой нагрузки; исключает «сальникообразование» на долоте и бурильных трубах и т. д. Однако применение нефти в буровом растворе не удовлетворяет требованиям охраны окружающей среды.
Одним из наиболее прогрессивных методов снижения потерь на трение бурильной колонны в скважине является введение в состав промывочной жидкости специальных органических или комбинированных добавок, в результате чего образуется эмульсия, обладающая смазочными свойствами. Такие промывочные жидкости обеспечивают ряд дополнительных положительных эффектов: увеличение механической скорости, снижение затрат мощности на вращение колонны бурильных труб, снижение потерь напора при циркуляции.
«Смазывание» происходит в результате распределения подходящей жидкости по поверхностям металла и глинистых частиц, предотвращающей непосредственное соприкосновение поверхностей друг с другом. Таким образом, эффекты, связанные с трением, становятся незначительными.
1 технологии
Рис. 3. Смачивание интенсификатором бурения металлической поверхности из воды и образование гидрофобного слоя
синтетических жидкостей
В своем составе смазки содержат молекулы ПАВ с длинной углеводородной цепью, способные не только понижать поверхностное натяжение, но также эффективно гидрофо-бизировать твердую поверхность. Смазочная добавка покрывает гидрофильн
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.