Разработка и опыт применения кремнегелевых реагентов и буровых растворов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка и опыт применения кремнегелевых реагентов и буровых растворов

V. Minibaev, Mirrico Group of Companies,

I. Gryaznov, TD Drilling materials Co. Ltd,

Ye. Konovalov, V. Izyumskiy, Siteco Co. Ltd,

Yu. Ivanov, Branch Aprelevskoe department of VNIGNI

Аннотация

кремнегелевый реагент буровой скважина

В статье рассмотрены кремнегелевые реагенты различных типов, проведена оценка их влияния на технологические свойства буровых растворов и проанализирован опыт применения силикатных реагентов при строительстве скважин в Западной Сибири.

Annotation

There are examined silico-gel reagents of various types, there is assessed their influence on technological properties of drilling fluids, there is analyzed experience of their using during drilling of wells in Western Siberia.

Материалы на основе жидкого стекла находят широкое применение в различных областях науки и техники, в т. ч. в горном деле. Под «жидким стеклом» понимают водные щелочные растворы силикатов, независимо от вида катиона (натрий, калий, литий, четвертичный аммоний), концентрации кремнезема, его полимерного строения и способа получения. Так, кроме автоклавного растворения в воде силикат-глыбы жидкое стекло можно получить при растворении кремнезема в щелочах, а также растворением аморфных или кристаллических порошков гидратированных или безводных щелочных силикатов [1]. Интерес к материалам на основе жидкого стекла определяется их ценными качествами, доступностью и дешевизной исходного сырья, экологической чистотой производства и применения, негорючестью и нетоксичностью. Наибольшее распространение получили натриевые жидкие стекла с силикатным модулем 2,0 - 3,0 и плотностью 1300 - 1500 кг/м³. Аморфные порошки гидросиликатов натрия и калия с содержанием связанной воды в пределах 15 - 20% получают распылительной сушкой концентрированных жидких стекол и высокотемпературной гидратацией стекловидных силикатов. Полученные порошки сыпучи и быстро растворяются даже в холодной воде. Производство такого гранулированного натриевого силиката Монасил марок Н22 (силикатный модуль 1,9 - 2,2) и Н28 (силикатный модуль 2,5 - 3,1) организовано ООО «ВитаХим» в г. Волхов Ленинградской обл. Другим представителем кристаллических гидросиликатов промышленного производства является двузамещенный метасиликат Na₂O·SiO₂·5H₂O (или Na₂O·SiO₂· 9H₂O).

Использование силикатных растворов в промышленности в качестве связующего обычно связано с понижением рН системы из сильнощелочной области до нейтральной и слабокислой. Связующие свойства силикатов обусловлены комплексом химических и физических процессов, протекающих при подкислении их растворов, и основаны на способности активных силанольных групп, имеющихся на частицах SiO2, вступать в химические взаимодействия друг с другом при обычных температурах с образованием прочных силоксановых связей [2].

При строительстве и капитальном ремонте скважин наиболее широко применяются натриевое жидкое стекло и метасиликат натрия в составе малосиликатных глинистых, полимерно-солевых буровых растворов, комбинированных силикатных реагентов и гидроизоляционных смесей [3]. Борсиликатные, полимерные алюмосиликатные и алюмоакриловые буровые растворы вполне успешно применялись при бурении скважин в Республике Коми, Восточной Сибири и Якутии в условиях аномально низких пластовых давлений [4]. При строительстве скважин в Тюменской области и других регионах страны широкие промысловые испытания прошли комбинированные реагенты на основе борсиликатного геля - силикатные углещелочные борные и фосфатные реагенты (СУБР-Б, Кольмасил, БСР) [5]. Производство последнего реагента в настоящее время освоено ООО «СИТЕКО» в г. Нижневартовск. Реагент зарекомендовал себя как эффективный регулятор структурно-механических свойств глинистых растворов и ингибитор разупрочнения терригенных пород при строительстве скважин в Западной Сибири (ЗАО «Сибирская сервисная компания», ЗАО «Сибирская геофизическая компания», ООО «АТОЛЛ Бурение-Сервис» и др.). Величину добавки БСР изменяли в пределах 0,3 - 3% к объему циркулирующего раствора. При бурении на Приобском месторождении расход БСР составлял 0,6 - 0,9 м³ на одну скважину (скважины №№5958 и 5909) и 1,5 - 1,6 м³на одну скважину (скважины №№5207 и 5337). В практически аналогичных геологических условиях на Южно-Приобском месторождении на одну скважину расходовали от 0,7 до 2 м³ борсиликатного реагента. Подтверждено, что использование БСР позволяет снизить реологические и структурно-механические показатели глинистых растворов на больших глубинах при повышенных забойных температурах, что дает возможность отказаться от применения НТФ. Имеется опыт успешного применения БСР в полимерных буровых растворах при бурении наклонно-направленных скважин и горизонтальных стволов. Специалистами института «СургутНИПИнефть» борсиликатный реагент рекомендован в качестве разжижителя, стабилизатора и дополнительного ингибитора бурового раствора на основе биополимера Гаммаксан и полиакриламида Праестол 2540Н при бурении наклонно-направленных скважин с большими отходами (более 1000 м) на Рогожниковском месторождении в условиях высоких забойных температур (100 - 130°С) и аномально высоких поровых давлений.

Практика применения силикатных буровых растворов показала, что они обладают рядом преимуществ перед другими ингибированными буровыми растворами - хлоркалиевыми, хлоркальциевыми и гликолевыми. Так, установлено, что присутствие водорастворимых силикатов в буровом растворе даже в небольших количествах (доли процента) приводит к заметному повышению качества цементирования обсадных колонн. Силикатные реагенты, в отличие от хлоркалиевых, практически не меняют минерализацию бурового раствора и, следовательно, не требуют изменения принятого комплекса геофизических исследований. При этом не происходит засолонения грунтовых вод, что является положительным моментом с экологической точки зрения. Анализ результатов интерпретации материалов геофизических исследований скважин, пробуренных с промывкой полимерными алюмосиликатными растворами, показал, что величина зоны кольматации не превышает 1,5 - 2,5 см. При создании депрессий на пласты в процессе их гидродинамических исследований и опробовании приборами на кабеле, зона кольматации разрушается. Это позволяет получать достоверные сведения о фильтрационных свойствах (эффективной мощности) и насыщенности коллекторов. Благодаря разноразмерным частицам твердой фазы с развитой поверхностью (удельная поверхность аморфных частиц может превышать 1000 м²/г SiO₂) и высокой адсорбционной активности модифицированных силикатов глинистые растворы, обработанные БСР, способны создавать низкопроницаемую зону кольматации, предотвращая значительное проникновение флюидов в породу в процессе бурения и крепления скважин. Учитывая повышенное крепящее действие кремнегелевых реагентов на породу, целесообразно одновременно с ними в буровой раствор вводить смазочные добавки.

Реакционная способность силанольных групп SiOH обеспечивает возможность сополикондексации кремниевых кислот с гидроксидами элементов, что важно при создании материалов на основе смешанных оксидов по золь-гель-технологии. Обобщение результатов выполненных исследований позволяет считать, что для приготовления полимерных кремнегелевых растворов в качестве комплексообразователя целесообразно использовать сернокислые соли алюминия, а композиционных химических реагентов многофункционального действия - борную кислоту [5].

Алюмосиликатные гели содержат 0,5 - 2% солей алюминия (сернокислый алюминий, алюмоаммиачные, алюмокалиевые квасцы, неочищенный нефелиновый коагулянт) и 4 - 6% товарного жидкого стекла. В присутствии полимерных реагентов с реакционными карбоксильными и амидными группами гидролиз солей алюминия усложняется из-за комплексообразования. При содержании 1,5 - 2% КМЦ последний процесс становится преобладающим. Учитывая особенности взаимодействия соединений кремния, бора, алюминия, фосфора друг с другом и с полимерными реагентами, можно целенаправленно составлять рецептуры полимерных буровых растворов и композиционных кремнегелевых реагентов. Одинаковое число валентных электронов атомов бора и алюминия определяет сходство этих элементов. В связи с этим в ряде случаев борную кислоту применяли совместно с солями алюминия. Вид и количество модифицирующих добавок (гуматы, лигносульфонаты, акрилаты, водорастворимые эфиры целлюлозы, крахмальные реагенты, многоатомные спирты и др.) выбирали в зависимости от условий практического применения кремнегелевых систем [5].

Исследована возможность использования порошкообразных водорастворимых силикатов Монасил Н28 и метасиликата натрия для получения кремнегелевых полимерных и полимерглинистых буровых растворов, а также композиционных химических реагентов - ингибиторов разупрочнения терригенных пород и разжижителей концентрированных глинистых растворов. Полимерную основу создают КМЦ, полианионная целлюлоза, биополимер, крахмальные реагенты. Роль комплексообразователя выполняют товарные алюминиевые квасцы или кислый алюмосиликат (КАС), получаемый в результате кислотного разложения щелочного алюмосиликата - нефелинового концентрата. Основные технологические показатели буровых растворов, содержащих 1,5 - 2% КМЦ-700, 1% алюминиевых квасцов, 1,5 - 2% Монасила Н28 и 30% хлористого натрия таковы: условная вязкость 40 - 80 с; пластическая вязкость 50 - 70 спз; предельное динамическое напряжение сдвига 80 - 210 дПа; статическое напряжение сдвига 6/9 - 18/24 дПа; водоотдача 6 - 10 см³.

Основой бурового раствора может служить также смешанный полимерный гель на основе водорастворимого эфира целлюлозы, полиакриламида марки Праестол и соли алюминия. При этом более высокие показатели реологических свойств имеют растворы, приготовленные на пресной воде, а потом засолоненные, чем гидрогели, приготовленные на рассоле хлористого натрия.

Пресные смешанные полимерные гели могут быть использованы также в качестве композиционного реагента для получения малоглинистых буровых растворов с повышенной псевдопластичностью. При добавке 5 - 7% такого реагента в бесструктурный глинистый раствор с высокой водоотдачей (более 15 - 20 см³) отмечается заметное увеличение статического и предельного динамического напряжения сдвига, условной и пластической вязкости при одновременном уменьшении водоотдачи. Для получения полимерглинистых растворов с водоотдачей на уровне 8 - 10 см³ концентрация КМЦ-700 составляет 0,1 - 0,12%, полиакриламида Праестол (марок 2530 или 2540) - 0,015%. Быстрый набор прочности структуры способствует повышению выносящей способности бурового раствора и расширяет возможности направленной кольматации поглощающих и проявляющих пластов.

Кремнегелевые составы могут быть получены и путем кислотного разложения природных щелочных алюмосиликатов. В наших опытах использовалась разбавленная (10 - 15%-ная) серная кислота и товарный нефелиновый концентрат (НК) АО «Апатит». В отличие от рассмотренных выше щелочных тиксотропных гелей, получаемых в результате взаимодействия растворов товарного жидкого стекла с солями и борной кислотой, кислые гели из нефелинового концентрата (рН<3) способны со временем (через несколько часов или суток) переходить в хрупкое студнеобразное состояние, а затем, на открытом воздухе, самопроизвольно высыхать, превращаясь в рассыпчатую порошкообразную массу (такой ксерогель назван нами кислым алюмосиликатом - реагентом КАС). Золь-гель-технология разложения нефелинового концентрата рекомендована для получения гидроизоляционных смесей для борьбы с поглощениями буровых растворов, закрепления грунтов, ограничения водопритоков в добывающих скважинах.

Учитывая, что в состав КАС входят окислы алюминия (26%), натрия (13%), калия (6%), железа (5%) и кремния (30%), применять его наиболее целесообразно, прежде всего, в кремнегелевых буровых растворах и композиционных реагентах.

Опытные партии КАС выпущены на базе Филиала «Апрелевское отделение ВНИГНИ» в Московской области и рекомендованы для промысловых испытаний.

Компания «Промышленная химия», входящая в ГК «Миррико», планирует приступить во втором квартале 2010 г. к опытным испытаниям данного реагента в сложных геологических условиях бурения.

Литература

1. Корнеев В.И., Данилов В.В. Жидкое и растворимое стекло. СПб.: Стройиздат, 1996. 216 с.

2. Айлер Р.К. Химия кремнезма. Пер. с англ. М.: 1982. 712 с.

3. Рязанов Я.А. Энциклопедия по буровым растворам. М.: Недра, 1997. 206 с.

4. Коновалов Е.А. и др. Комплексное применение химических реагентов в разведочном бурении / обзор ВИЭМС, сер. «Техника и технология геологоразведочных работ, организация производства» // 1984. 30 с.

5. Коновалов Е.А. и др. Бор- и фосфатсиликатные реагенты для обработки буровых растворов // Нефтяное хозяйство. 1993. №7. С.15 - 18.

Размещено на Allbest.ru