Разработка эффективных композиционных составов химических реагентов для буровых растворов и технологии их получения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Разработка эффективных композиционных составов химических реагентов для буровых растворов и технологии их получения

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Актуальность работы. Президент Республики Узбекистан И.А. Каримов в своей книге «Мировой финансово-экономический кризис, пути и меры по его преодолению в условиях Узбекистана» указывал на необходимость дальнейшего ускорения процесса модернизации и широкого внедрения разработок по созданию современных новых технологий, в том числе и в производстве композиционных полимерных материалов, получения на их основе импортозамещающих и экспорториентированных химических реагентов для буровых растворов.

Известно, что для нашей республики особо важное экономическое значение имеет интенсификация и развитие нефтегазовой промышленности.

Бурение нефтяных и газовых скважин на площадях Узбекистана проводится как в нормальных, так и в осложненных геологических условиях. Геологическое строение разбуриваемых площадей, глубина залегания продуктивных горизонтов, а также различие пластовых давлений и наличие зон осложнений требуют качественного целенаправленного бурения. Для этого, прежде всего, требуются эффективные промывочные жидкости, хорошо очищающие забой скважины от выбуренной горной породы, образующие тонкую корку с гладкой поверхностью на стенках скважин по диаметру окружности. При этом создается противодавление на стенках скважины и тем самым предупреждается обрушение горных пород, вследствие этого создаются условия для качественного вскрытия продуктивных нефте- и газоносных горизонтов.

Как правило, качество буровых растворов существенно зависит от состава и структуры применяемых химических реагентов. Следует отметить, что химические реагенты, применяемые в настоящее время для бурения скважин в осложненных геологических условиях Узбекистана, недостаточно эффективны и весьма дорогие. Применяемые малоглинистые растворы, стабилизированные химическими реагентами, не всегда обеспечивают качественное и безаварийное бурение скважин вследствие сильной минерализации пластовых вод ионами натрия, калия, кальция, магния. Кроме того, наличие агрессивного действия минерализованных пластовых вод значительно повышает установленные нормы расхода химических реагентов при приготовлении буровых растворов.

Вышеотмеченное настоятельно требует разработки и освоения технологий получения высокоэффективных, импортозамещающих и экспортоориентированных, более дешевых композиционных химических реагентов для обработки буровых растворов с использованием как органических, так и неорганических ингредиентов на основе местного сырья и отходов производств, что является актуальной проблемой.

Степень изученности проблемы. В настоящее время, при бурении нефтегазовых скважин, применяется большое разнообразие химических реагентов, необходимых для стабилизации буровых растворов, как отечественного, так и зарубежного производства, такие как КМЦ, К-4, К-9, ГИПАН, ССБ, КССБ, NaOH, CaCO₃, УЩР, сульфанол и многие другие. Многие из них являются дорогостоящими и завозятся в Узбекистан из-за рубежа.

Анализ имеющихся литературных материалов показывает, что известные зарубежные химические реагенты весьма дорогие, а отечественные реагенты недостаточно эффективны, особенно при действии агрессивной среды при использовании минерализованных пластовых вод, вследствие их нейтрализации. Для получения качественных буровых растворов требуется их специальная обработка значительным количеством активных дорогостоящих химических реагентов.

Выполнение поставленной задачи требует научно обоснованного подхода к разработке эффективных композиционных составов химических реагентов, обеспечивающих создание промывочных растворов, пригодных при бурении скважин в осложненных нефтегазоносных горизонтах.

Связь диссертационной работы с тематическими планами НИР.

Исследования и намеченные разработки по теме диссертационной работы выполнялись в соответствии с планом Государственной научно-технической программы РУз в рамках проектов: ИК-09-03 «Разработка и освоение импортозамещающих и экспорториентированных эффективных рецептур композиционных полимерных материалов и промывочных жидкостей - буровых растворов на их основе с использованием отходов пищевых производств и других ингредиентов для бурения и вскрытия продуктивных горизонтов скважин на месторождении «Плато-Устюрт» (2009 - 2010 гг.); ИТД 5-008 «Создание экспортоориентированных эффективных многофазных композиционных полимерных материалов с использованием местного сырья и отходов химических производств для бурения нефтяных и газовых скважин Узбекистана и разработка технологии их получения» (2009 - 2011 гг.).

Цель исследования: разработка доступных, экономически целесообразных, импортозамещающих композиционных составов химических реагентов для стабилизации буровых растворов с использованием органических и неорганических ингредиентов на основе местного сырья и отходов производств с заранее заданными свойствами, пригодных для бурения нефтегазовых скважин, и технологии их получения.

Задачи исследования:

- всестороннее изучение зависимости физико-химических и технологических показателей (плотность, водоотдача, вязкость, степень напряжения сдвига, толщина корки и водородный показатель рН) разрабатываемых композиционных составов химических реагентов от вида, состава и содержания органических и неорганических ингредиентов;

- исследование и разработка лабораторных образцов эффективных оптимальных составов импортозамещающих, доступных и сравнительно дешевых композиций химических реагентов на основе местного сырья и отходов производств;

- разработка технологии их производства;

- выпуск опытных партий созданных композиционных составов химических реагентов и проведение их лабораторно-производственных испытаний;

- разработка технологического регламента на получение композиционных составов химических реагентов и технических условий (ТУ) на них;

- определение технико-экономической эффективности и выдача практических рекомендаций по использованию созданных композиционных составов химических реагентов и буровых растворов на их основе, применяемых при бурении нефтегазовых скважин.

Объект и предмет исследования. Объектами исследования являются: Na-карбоксиметилцеллюлоза - Na-КМЦ, полиакриламид (ПАА) и феррохлорлигносульфанат-1 (ФХЛ-1), полученный на основе отходов производства спирта - лигнина, и хлопкового масла - госсиполовая смола, каустическая и кальцинированная сода, недопал - отход производства азотных удобрений предприятия «Ферганаазот», госсиполовая смола - отход масложирового производства, алюмак - отход Ташкентского завода по заготовке и переработке лома отходов цветных металлов и нефтабадская красная глина.

Предметом исследования является установление закономерностей изменения физико-химических и технологических характеристик разрабатываемых композиционных составов химических реагентов для буровых растворов в зависимости от вида, состава и содержания ингредиентов.

Методы исследований. Физико-химические свойства ингредиентов определяли методами химического, рентгенофазового и дифференциально-термического анализа. Технологические характеристики (плотность, г/см³; вязкость, с; водоотдача, см³/30 мин; степень напряжения сдвига - СНС₁₀, мг/см²; водородный показатель - рН) разрабатываемых композиционных составов химических реагентов и буровых растворов были определены методами, приборами и установками согласно требованиям соответствующих ГОСТов, принятых в СНГ.

Гипотеза исследования заключается в научном обосновании выбора ингредиентов из местного сырья и отходов производств органического и неорганического происхождения, позволяющие разработать эффективные композиционные составы химических реагентов для стабилизации буровых растворов и технологии их получения.

Основные положения, выносимые на защиту:

- установленные закономерности влияния природы, вида и содержания различных ингредиентов и их соотношения на физико-химические свойства разрабатываемых композиционных составов химических реагентов и технологические основы их получения;

- совокупность исследований физико-химических свойств композиционных составов химических реагентов по стабилизации буровых растворов;

- результаты исследований синергетического эффекта в буровых растворах при использовании предложенных композиционных составов химических реагентов, обусловленного спецификой их состава и структуры;

- установленные оптимальные технологические режимы, позволяющие получать композиционные составы химических реагентов с высокими физико-химическими и технологическими характеристиками, обеспечивающие качественное бурение скважин с минерализованными пластовыми водами;

- результаты выпуска опытно-промышленных партий разработанных композиционных составов химических реагентов, проведенных опытно-производственных испытаний и технико-экономическая эффективность их применения.

Научная новизна работы состоит в том, что:

- научно обоснована возможность создания эффективных импортозамещающих и экспортоориентированных композиционных составов химических реагентов с использованием органических и неорганических ингредиентов на основе местного сырья и отходов производств для стабилизации буровых растворов, способных работать как в пресной воде, так и в минерализованных пластовых водах, отличающиеся высокой водорастворимостью, смазывающей способностью, гидрофобизирующим действием, доступностью, низкой стоимостью, экономичностью и экологической безвредностью;

- впервые установлены особенности физико-химических процессов, протекающих между ингредиентами органической и неорганической природы, приводящие к проявлению эффекта синергизма в буровых растворах;

- выявлена определяющая роль компонентов, входящих в композиционный состав химических реагентов, при формировании стабилизирующих свойств буровых растворов, зависящая от их природы, структуры и содержания;

- определены основные закономерности изменения параметров и технологических свойств: плотности, вязкости, водоотдачи, статического напряжения сдвига буровых растворов в зависимости от состава и соотношения компонентов композиционных химических реагентов (КХР);

- установлено, что разработанные композиционные составы химических реагентов типа КХР на основе местного сырья и отходов химических, пищевых производств являются наиболее эффективными стабилизаторами буровых растворов, обусловленные их структурно-химическими особенностями.

Научная и практическая значимость результатов исследования.

Впервые показана возможность создания эффективных композиционных порошкообразных составов химических реагентов для стабилизации буровых растворов путем целенаправленного подбора вида, содержания и соотношения органических и неорганических ингредиентов на основе местного сырья и отходов производств. Установлены основные закономерности влияния типа, состава, структуры ингредиентов, входящих в состав композиционных химических реагентов и технологических параметров их получения на формирование плотности, вязкости, водоотдачи, статистического напряжения сдвига и водородного показателя стабилизированных буровых растворов. Научно обосновано предположение, что с применением разработанных композиционных составов химических реагентов улучшаются технологические процессы бурения нефтегазовых скважин в осложненных зонах.

Показано, что разработанные композиционные составы химических реагентов, благодаря ряду их особенностей, прежде всего, хорошей смазывающей способности и совместимости, а также за счет проявления синергетического эффекта, способны оказывать сильное стабилизирующее действие на свойства буровых растворов. Все это, в итоге, приводит к улучшению качества обволакивания выбуренной породы из-под долота и обеспечивает хорошую промывку забоя скважины. Чрезвычайно важно, что при этом не происходит вторичного дробления горной породы и тем самым обеспечивается рост скорости бурения и, соответственно, увеличивается производительность процесса бурения скважин. Также весьма важно отметить обеспечение экологической безопасности окружающей среды и существенное снижение стоимости композиционных составов химических реагентов для буровых растворов благодаря использованию органических и неорганических ингредиентов на основе местного сырья и отходов различных производств. Исследованиями также было установлено, что при этом не кальматируется флюид промывочной жидкости вглубь продуктивного пласта, что обеспечивает качественное вскрытие продуктивных нефте- газоконденсатных горизонтов в скважине.

Проведенные технико-экономические расчеты показали, что использование разработанных составов и рецептуры композиционных химических реагентов в буровых растворах при бурении одной газоконденсатной скважины позволяет сэкономить порядка 100 млн. сум.

Реализация результатов. Полученные результаты диссертационной работы использованы в разработке новых оптимальных и эффективных композиционных составов химических реагентов и технологии их получения, предназначенных для приготовления буровых растворов, применяемых при бурении нефтегазовых скважин, в частности, в ДП «Устюртское УРБ» АК «Узгеобурнефтегаз» Каракалпакстана.

Созданные композиционные составы химических реагентов апробированы в процессах приготовления буровых растворов и прошли опытно-промышленные испытания при бурении нефтегазовых скважин в условиях месторождения «Плато-Устюрт».

Составлены и утверждены: технологический регламент ТР-КХР:2010 «Получение композиционных химических реагентов типа КХР-1 и КХР-2 для буровых растворов» и технические условия 10-90-2010 «Композиционные химические реагенты КХР-1, КХР-2 для буровых растворов».

Реализация предложенных КХР при приготовлении буровых растворов, для бурения нефтяных и газовых скважин в осложненных геолого-технических условиях, способствует расширению сферы их применения.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на: IV Межд. конф. «On times of polymers (TOP) and composites» (Италия, 2008 г.); Респ. науч.-техн. конф. «Композиционные материалы на основе техногенных отходов и местного сырья: структура, свойства и применение» (Ташкент, 2010 г.); Межд. конф. «Новые композиционные материалы на основе местного и вторичного сырья» (Ташкент, 2011 г.); On European polymer congress- 2011 «XII congress of the specialized group of polymers» Congress program, Granada, Spain (Испания, 2011 г.); Konf. Science and Engineering Application II. (ICMSEA, 2012г.), Xi'an, China (Китай, 2012 г.); на научном семинаре специализированного совета Д.067.50.01 при ГУП «Фан ва тараккиёт» ТашГТУ (Ташкент, 2012 г.).

Опубликованность результатов. По материалам диссертационной работы опубликовано 25 научных статей и материалов конференции на станицах зарубежных и республиканских изданий, из них 19 журнальных статей; один патент РУз и две заявки на патент.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы, содержащего 125 наименований, и приложений. Основное содержание диссертации изложено на 129 страницах компьютерного текста, содержит 22 рисунка и 20 таблиц. В приложении приведены копии нормативно-технической документации, подтверждающие практическую значимость результатов выполненной работы.

Основное содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, раскрыты цель и задачи исследования, выбраны и обоснованы объекты и методы исследований, приведена гипотеза, научная новизна и научно-практическая значимость, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен анализ современного состояния вопроса разработки, получения и применения химических реагентов и промывочных жидкостей - буровых растворов для использования в процессе бурения нефтегазовых скважин. Определены перспективные направления, в указанной области, для дальнейшего исследования и создания новых эффективных композиционных химических реагентов.

Вторая глава посвящена выбору объектов, их характеристике и описанию методики их экспериментальных исследований.

В третьей главе приведены результаты исследований физико-химических свойств разрабатываемых композиционных составов химических реагентов с использованием местного сырья и отходов производств.

В четвертой главе приведены результаты исследований по разработке эффективных композиционных составов химических реагентов для буровых растворов и технологии их получения.

В пятой главе представлены результаты определения практических и экономических аспектов разработанных композиционных составов химических реагентов для буровых растворов и их эффективность при бурении нефтегазовых скважин.

В приложении приведены акты о разработке, изготовлении и проведении пуско-наладочных работ технологической линии для производства композиционных составов химических реагентов, о выпуске опытно-промышленной партии, их лабораторных, производственных испытаний и промышленного внедрения, расчет технико-экономической эффективности, а также нормативно-техническая документация.

Исследование физико-химических свойств разрабатываемых композиционных химических регентов с использованием местного сырья и отходов производств

Известно, что при бурении нефтегазовых скважин применяются буровые растворы, приготавливаемые с использованием химических реагентов, как органического, так и неорганического происхождения. Эти регенты, применяемые в настоящее время, являются дорогостоящими и не всегда эффективны, особенно при бурении нефтегазовых скважин на месторождениях с высокоминерализованными пластовыми водами, к которым относятся газоконденсатные месторождения Сурхандарьинской, Кашкадарьинской областей и Плато-Устюрт в Каракалпакстане.

Эффективность буровых растворов находится в прямой зависимости от качества применяемых химических реагентов. В связи с этим к составам химических реагентов предъявляются определенные требования по их физико-химическим и технологическим свойствам.

С учетом вышеотмеченного и с целью разработки эффективных составов композиционных химических реагентов нами были исследованы физико-химические и технологические свойства водных растворов таких известных химических реагентов, как Na-карбоксиметилцеллюлоза - Na-КМЦ, полиакриламид - ПАА, и ингредиентов - недопала, КПГС, а также порошкообразного ФХЛ-1 различной концентрации. В качестве объекта исследования был выбран и отход производства азотной кислоты завода «Ферганаазот» - недопал.

С помощью химического, рентгенофазового и дифференциально-термического методов исследования установлено, что недопал представляет собой шлам, состоящий в основном из карбоната кальция (СаСО₃), оксида кальция (СаО), полиакриламида (ПАА) с незначительным содержанием каустической и кальцинированной соды (рис. 1, 2). Химический состав недопала приведен в табл. 1.

Рис. 1. Дифрактограммы недопала - отхода производства азотных удобрений

Необходимо отметить, что различные партии недопала в определенной степени отличаются друг от друга. Поэтому пики дифрактограмм могут не совпадать.



Рис. 2. Дериватограмма (ДТА) недопала - отхода производства азотных удобрений

Исходя из химического состава недопала, было предположено, что он может быть использован в качестве одного из эффективных компонентов при разработке композиционных составов химических реагентов для буровых растворов, в частности, как утяжелитель, разжижитель и структурообразователь.

Таблица 1Химический состав недопала

Наименование компонентов	Количество, мас.%
Мелкодисперсный мел (СаСО3)	70-80
Каустическая сода (NaОН)	2-3
Кальцинированная сода (Na2СО3)	1-2
Известь (СаО)	10-12
Полиакриламид (ПАА)	5-10
Влага (вода)	остальное

Были проведены исследования физико-химических и технологических свойств водных растворов, содержащих недопал и ряд других химических реагентов, таких как Na-КМЦ, КПГС, ПАА, ФХЛ-1, применительно к получению композиционных составов химических реагентов и буровых растворов на их основе, в зависимости от их содержания. Как показали результаты исследований водных растворов загустителей, при необходимости получения буровых растворов с повышенной плотностью, вязкостью и пониженной водоотдачей, то есть для получения средних и утяжеленных растворов, можно использовать Na-КМЦ и ПАА. При необходимости же получения бурового раствора с пониженной плотностью и водоотдачей, то есть для облегченных и средних растворов, целесообразно использовать КПГС и ФХЛ-1 в определенных (от 8 до 16 мас. ч) количествах, особенно при получении эмульсий различных концентраций. Учитывая, что реагенты Na-КМЦ и КПГС являются наиболее доступными, а КПГС сравнительно дешевым, для дальнейшего исследования и создания композиционных составов химических реагентов особое внимание было уделено именно этим ингредиентам.

В настоящее время перед буровиками остро стоит еще одна немаловажная проблема, которая заключается в использовании высокоминерализованных пластовых вод для приготовления буровых растворов, что может исключить использование пресной воды, которая доставляется на место проведения буровых работ из населенных пунктов, что удорожает процесс бурения скважин.

Были проведены исследования физико-химических и технологических свойств буровых растворов, приготовленных с использованием как пресной, так и высокоминерализованной пластовой воды и содержащих различное количество недопала и химических реагентов - Na-КМЦ и КПГС. В качестве минерализованной пластовой воды была выбрана пластовая вода месторождения Северный Бердах Каракалпакстана, которая имела нижеследующий химический состав, г/л: NaCl - 57,4; KCl - 0,3; CaCl₂ - 2,64 и MgCl₂ - 1,92.

На рис. 3 и 4 приведены закономерности изменения физико-химических свойств 10%-ных буровых растворов с минерализованной водой от концентрации Na - КМЦ, КПГС и содержания недопала. Установленные закономерности хода кривых рисунков характеризующие зависимости технологических параметров буровых растворов от содержания и соотношения компонентов таких как Na-КМЦ, КПГС и недопала свидетельствуют о том, что регулируя соотношение недопала с другими химическими реагентами, можно получать буровые растворы с заранее заданными физико-химическими и технологическими свойствами.

Проведенные комплексные исследования физико-химических и технологических свойств буровых растворов на основе химических Na-КМЦ, КПГС и недопал, с использованием как пресной, так и минерализованной пластовой воды, позволили выявить также закономерности влияния концентрации этих реагентов и количества недопала на технологические параметры буровых растворов. На основании выявленных закономерностей, путём подбора соответствующих количеств Na-КМЦ, КПГС и недопала установлено, что можно создавать многофазные композиционные порошкообразные материалы - химические реагенты и буровые растворы на их основе, отвечающие различным технологическим требованиям в процессах бурения нефтегазовых скважин и вскрытии продуктивных горизонтов.

содержание недопала, мас.%: 1-0%; 2-30%; 3-40%; 4-50%

Рис. 3. Зависимость плотности, вязкости, водоотдачи и СНС буровых растворов с минерализованной водой от концентрации Na-КМЦ и содержания недопала



содержание недопала, мас.%: 1-0%; 2-30%; 3-40%; 4-50%

Рис. 4. Зависимость плотности, вязкости, водоотдачи и СНС буровых растворов с минерализованной водой от концентрации КПГС и содержания недопала

Разработка эффективных композиционных составов химических реагентов для буровых растворов и технологии их получения

При разработке рецептур композиционных химических реагентов, как отмечено выше, были использованы КПГС, недопал и Na-КМЦ. На рис. 4, 5 приведены зависимости физико-химических и технологических свойств 10%-ных буровых растворов, полученных с использованием реагентов КПГС, недопала и Na-КМЦ, приготовленных на минерализованной воде месторождения Северный Бердах, от их соотношения и содержания.

Рис. 5. Зависимость плотности (1), вязкости (2), водоотдачи (3) и СНС₁₀ (4) от соотношения КПГС и Na-КМЦ

Примечание - в числителе - содержание Na-КМЦ, в знаменателе -содержание КПГС

Как видно из хода кривых рис. 5, 10%-ные буровые растворы, в зависимости от соотношения КПГС и Na-КМЦ и их содержания, имеют различные физико-химические и технологические свойства. При этом, с увеличением количества КПГС в буровом растворе, наблюдается снижение физико-химических и технологических показателей, кроме показателя водоотдачи, а с увеличением количества Na-КМЦ наблюдается обратная зависимость, т.е. увеличение этих показателей, так как Na-КМЦ является высокомолекулярным полимером, а КПГС, в основном, является отходом масложирового комбината - олигомером и имеет сравнительную низкую молекулярную массу. Так, при изменении соотношения КПГС и КМЦ от 2/98 до 20/80 плотность буровых растворов лежит в пределах 0,8 - 0,89 г/см³, вязкость в пределах 22 - 144 с, водоотдача снижается от 11,5 до 4,0 см³/30 мин, СНС в пределах 56 - 10 мг/см².

Наиболее приемлемыми из вышеуказанных рецептур являются те, в составе которых содержатся КПГС от 86 до 92% и Na-КМЦ от 8 до 14%. При содержании Na-КМЦ в составе композиции от 2 до 6% вязкость и СНС 10%-ного бурового раствора сравнительно низкая и неспособна обеспечить полного выброса бурового шлама. При таких концентрациях водоотдача высокая, что приводит к увеличению проницаемости бурового раствора в пласт и повышению его расхода.

При увеличении содержания Na-КМЦ в композиции от 6 до 14% все технологические показатели буровых растворов нормализуются и их можно применять при бурении нефтегазовых скважин при проходке пластов с аномально низким пластовым давлением. При дальнейшем увеличении количества Na-КМЦ более 14%, несмотря на то, что плотность и СНС повышаются, а водоотдача снижается, увеличение значения вязкости приводит к снижению скорости бурения и производительности труда при бурении скважин с аномально низким пластовым давлением. Эти данные свидетельствуют о том, что в зависимости от условий бурения можно применять один или нескольких из этих разработанных рецептур.

В табл. 2 и 3 приведены оптимальные составы и свойства разработанных композиционных химических реагентов типа КХР-1.

Таблица 2Оптимальные составы разработанных композиционных составов химических реагентов типа КХР-1

Ингредиенты	КХР-1-1	КХР-1-2	КХР-1-3	КХР-1-4	КХР-1-5
	содержание ингредиентов, мас.ч.
Состав КПГС	Госсиполовая смола (Гс)	65,24	63,99	62,54	61,16	59,74
	Каустическая сода (NaOH)	13,04	12,69	12,40	12,12	11,84
	Кальцинированная сода (Na2CO3)	13,04	12,69	12,40	12,12	11,84
	Алюмак	0,64	0,63	0,61	0,60	0,58
Общее содержание КПГС	92	90	88	86	84
КМЦ	8,0	10,0	12,0	14,0	16,0

Таблица 3Физико-химические и технологические характеристики 10%-ного бурового раствора на основе разработанных композиционных составов химических реагентов типа КХР-1

Характеристики буровых растворов	КХР-1-1	КХР-1-2	КХР-1-3	КХР-1-4	КХР-1-5
Внешний вид	порошок темно-коричневого цвета
Водорастворимость (10% водный раствор)	растворим
Плотность, г, г/см3	0,83	0,84	0,85	0,86	0,87
Условная вязкость 10% водного раствора по СПВ-5, Т, с, не менее	29	35	46	64	88
Водоотдача 10% водного раствора по прибору ВМ-6, В, см3/30 мин	8,5	8	7	6	5,5
Статическое напряжение сдвига, СНС, 1/10 мин, мг/см2	18	23	28	34	41
Водородный показатель, рН	9	9	9	9	9
Толщина корки, мм	следы	следы	следы	следы	следы

Далее проводились исследования эксплуатационных характеристик разработанных композиционных составов химических реагентов, в частности, по сравнению поверхностной активности анионного КХР-1 с известными реагентами сульфанолом и ОП-10. Установлено, что КХР-1 уже при концентрации 0,1% снижает поверхностное натяжение воды в 2 раза. Можно указать, что по способности снижать поверхностное натяжение КХР-1 превосходит реагент ОП-10, но близок к сульфанолу (табл. 4).

Таблица 4Зависимость поверхностного натяжения от концентрации ПАВ

Концентрация, %	Поверхностное натяжение, н/м
	КХР-1	Сульфанол	ОП-10
0,01	60,7	61,2	50,9
0,05	42,1	42,6	41,6
0,10	38,0	38,6	41,0
0,25	36,2	36,9	36,1
0,5	35,9	36,2	35,6
1,0	34,8	35,1	35,5

Для оценки эмульгирующих способностей растворов КХР-1 были сняты изотермы поверхностного натяжения, которые показаны на рис. 6.

Результаты исследований позволяют заключить, что для обеспечения надежного эмульгирования достаточно 1%-ной добавки КХР-1 в бензол. При этом поверхностное натяжение раствора резко снижается. При больших концентрациях (1,2% и более) наблюдается постоянство поверхностного натяжения, что свидетельствует о насыщении адсорбционного слоя.

1-без КХР-1; 2-с КХР-1.

Рис. 6. Зависимость поверхностного натяжения от концентрации КХР-1 в бензоле

Изучение адсорбции по изменению поверхностного натяжения раствора КХР-1 на глине и суглинке показало, что с ростом концентрации КХР-1 поверхностное натяжение снижается равномерно. КХР-1 адсорбируется больше на глине, чем на суглинке, что связано с минералогическим составом адсорбента и хорошо согласуется с теорией мономолекулярной адсорбции Ленгмюра, т.е. растворенное вещество адсорбируется не на всей поверхности адсорбента, а лишь на её активных центрах.

На основании полученных экспериментальных данных можно сделать вывод, что поверхностно-активные вещества серии КХР-1, предназначенные для получения прямых эмульсий типа масло в воде, являются реагентами полуколлоидного типа. Иными словами, КХР-1 может образовывать истинные (молекулярные) растворы при низкой концентрации, а при высоких концентрациях - коллоидные (термодинамически устойчивые мицеллярные) растворы и являются неньютоновскими жидкостями.

Для изучения эффекта синергизма проводились сравнительные исследования изменения поверхностного натяжения от концентрации водных растворов КХР-1 и сульфанола, как без добавок, так и с добавкой полиэлектролита. Установлено, что добавка полиэлектролита способствует более резкому снижению поверхностного натяжения сульфанола, тем самым экспериментально подтверждается преимущество синтезированного нами препарата.

Были исследованы зависимости физико-химических и технологических свойств буровых растворов, полученных с использованием КХР-2, состоящего из КХР-1 и недопала, от содержания недопала. На рис. 7 приведены результаты физико-химических и технологических исследований свойств буровых растворов на основе разработанных композиционных составов химических реагентов КХР-1, состоящих из КПГС, Na-КМЦ и недопала в различных соотношениях. В табл. 5 приведены оптимальные составы разработанных композиционных химических реагентов типа КХР-2.

В табл. 6 приведены физико-химические свойства разработанных композиционных составов химических реагентов типа КХР-2.

Рис. 7. Зависимость плотности (1), вязкости (2), водоотдачи (3) и СНС₁₀ (4) буровых растворов, полученных с использованием КХР-1 от количественного соотношения недопала

Таблица 5Оптимальные составы разработанных композиций химических реагентов типа КХР-2

Ингредиенты	КХР-2-1	КХР-2-2	КХР-2-3	КХР-2-4	КХР-2-5
	содержание ингредиентов, мас.ч.
Состав КХР-1	Госсиполовая смола (Гс)	65,24	63,99	62,59	61,16	59,74
	Каустическая сода (NaOH)	13,04	12,69	12,40	12,12	11,84
	Кальцинированная сода (Na2CO3)	13,04	12,64	12,40	12,12	11,84
	Алюмак	0,64	0,63	0,61	0,60	0,58
	КМЦ	8,0	10,0	12,0	14,0	16,0
Общее содержание КХР-1	100	100	100	100	100
Недопал (СаСО3, Na2O)	20,0	25,0	30,0	35,0	40,0

Как видно из полученных данных, 10%-ные буровые растворы, в зависимости от соотношения КПГС, Na-КМЦ и недопала, имеют различные физико-химические и технологические свойства. При этом с увеличением количества недопала, в отличие от данных, приведенных в табл. 6, все показатели, кроме показателя водоотдачи, имеют тенденцию к увеличению по мере увеличения количества недопала в рецептуре. При увеличении количества недопала от 5 до 45% плотность буровых растворов повышается от 0,82 до 1,18 г/см³, вязкость возрастает от 22,5 до 118 с, водоотдача снижается от 12 до 5 см³/30 мин, а СНС увеличивается от 11 до 50 мг/см³.

Таблица 6Физико-химические и технологические характеристики 10%-ного бурового раствора на основе разработанных композиционных составов химических реагентов типа КХР-2

Характеристики буровых растворов	КХР-2-1	КХР-2-2	КХР-2-3	КХР-2-4	КХР-2-5
Плотность, г, г/см3	0,88	0,92	0,97	1,05	1,11
Условная вязкость 10% водного раствора по СПВ-5, Т, с, не менее	31	37	49	67	90
Водоотдача 10% водного раствора по прибору ВМ-6, В, см3/30 мин	8,2	8	6,5	5,8	5,2
Статическое напряжение сдвига, СНС, 1/10 мин, мг/см2	20	25	30	37	44
Водородный показатель, рН	12	12	12	12	12
Толщина корки, мм	0,1	0,3	0,6	0,8	1,0

Анализ данных, приведенных на рис. 7 и в табл. 6, показывает, что из композиции, содержащей в своем составе КХР-1, при введении недопала от 20 до 45%, можно разработать оптимальные композиционные составы реагентов типа КХР-2, успешно применяемые в качестве стабилизаторов для буровых растворов при бурении нефтегазовых скважин со средним пластовым давлением, так как для прохождения пластов со средним пластовым давлением используются буровые растворы, имеющие плотность не менее 1,05 г/см³, с соответствующей вязкостью, водоотдачей и СНС.

Далее были проведены опытные испытания в лаборатории ДП «Устюртское УРБ» технологических параметров глинистых буровых растворов на основе высокоминерализованных пластовых вод Устюртского региона на трех видах композиционного химического реагента типа КХР-1-3, КХР-2-3 (табл. 7).

Таблица 7 Технологические свойства глинистых буровых растворов на основе КХР-1 и КХР-2

Состав глинистых растворов	Технологические параметры растворов
	г, г/см3	Т500, сек	В, см3/30мин	К, мм	рН
1 л пластовой воды площади Арал-4 + 300 гр. красной глины (порошок) месторождения Шорсув	1,21	17	40>7,5 мин	8	6
№1 исходный р-р + 10% КХР-1	1,16	28	4	0,5	11
№1 исходный р-р + 10% КХР-2	1,24	22	3	0,8	10,5
1 л пластовой воды площади Северный Бердах + 300 гр. красной глины (порошок) месторождения Шорсув	1,20	16	40>7,6 мин	10	6
№1 исходный р-р + 10% КХР-1	1,16	42	3	0,5	11
№1 исходный р-р + 10% КХР-2	1,22	35	4	0,7	10
1 л пластовой воды площади Сургиль + 300 гр. красной глины (порошок) месторождения Шорсув	1,20	16,4	40>7,5 мин	10	6
№1 исходный р-р + 10% КХР-1	1,17	32	2,0	0,4	11
№1 исходный р-р + 10% КХР-2	1,20	29	3,0	0,6	10

Данные лабораторных испытаний показали, что технологические показатели глинистого бурового раствора, обработанного химическими реагентами КХР-1-3 и КХР-2-3, улучшаются. Это проявляется в повышенной стабилизации минерализованных буровых растворов, повышении их вязкостных и снижении фильтрационных свойств, толщины корки и повышении рН (водородный показатель).

Таким образом, стало возможным получать стабилизированные буровые растворы с плотностью в пределах от 0,9 до 1,24-1,60 г/см³, рН = 11-12, что дает возможность экономии каустической и кальцинированной соды. Также можно прийти к заключению о том, что композиционные составы химических реагентов КХР-1 и КХР-2 могут успешно применяться для приготовления буровых растворов с использованием пресных и минерализованных пластовых вод при бурении скважин в осложненно-геологических условиях и при прохождении пластов как с низким, так и со средним пластовым давлением. Композиционные составы химических реагентов были переданы представителям ДП «Устюртское УРБ» АК «Узгеобурнефтегаз» для проведения опытно-промышленных испытаний.

Таким образом, на основе проведенных исследований установлено, что разработка эффективной технологии получения композиционных составов химических реагентов на основе местного сырья и отходов производств является весьма перспективным направлением. В связи с этим нами разработаны научно-методические принципы, которые позволили разработать эффективную технологию производства композиционных составов химических реагентов на основе органических и неорганических местных сырьевых ресурсов и отходов производств, обеспечивающие создание композиционных многофазных составов химических реагентов с высокими физико-химическими и технологическими характеристиками, используемые для стабилизации буровых растворов.

Практические и экономические аспекты разработанных композиционных составов химических реагентов для буровых растворов и их эффективность

В соответствии с поставленной задачей разработана схема универсальной технологической линии производства композиционных составов химических реагентов для буровых растворов, которая приведена на рис. 8. Линия состоит из трех основных циклов: в первом цикле получается композиционная порошкообразная госсиполовая смола - КПГС, во втором цикле - композиционные составы химических реагентов КХР-1 и КХР-2, и в третьем цикле - глинистые композиционные материалы (КПМ) на основе глины, КХР-1 или КХР-2.

Руководствуясь разработанными технологическими принципами, на созданной технологической линии научно-технологического центра NTTS «KOMPOZIT» с 15 марта по 15 апреля 2010 года были выработаны опытно-промышленные партии композиционной порошкообразной госсиполовой смолы - КПГС в количестве 40 тонн, композиционных составов химических реагентов КХР-1 и КХР-2 по 25 тонн каждый, и композиционный порошкообразный материла (КПМ) в количестве 60 тонн. Акт о выпуске опытных партий КХР-1 и КХР-2 прилагается.

Для проведения опытно-промышленных испытаний разработанных многофазных композиционных составов порошкообразных химических реагентов в производственных условиях были приготовлены буровые растворы с КХР-1-3 и КХР-2-3 непосредственно на производственном участке, где расположена скважина №50 Устюртского УРБ (Каракалпакстан).

Проведены опытно-промышленные испытания и внедрение образцов КХР-1 и КХР-2 и буровых растворов на их основе при бурении нефтегазовой скважины №50 Сургиль ДП «Устюртское УРБ» АО «Узгеобурнефтегаз» и получены положительные результаты. Акты испытаний и внедрения прилагаются.

Испытания показали, что при бурении скважины с использованием разработанных составов химических реагентов, благодаря их хорошей растворимости в воде, проявлению гидрофобизирующей способности и высокого смазывающего эффекта, а также за счет хорошего физико-химического взаимодействия с глинами и другими компонентами, привело к возникновению синергетического эффекта, о чем свидетельствует сильное стабилизирующее действие на свойства буровых растворов, улучшение качества обволакивания выбуренной породы из под долота, что обеспечило хорошую промывку забоя скважины, а также повысило механическую скорость породоразрушающего режущего инструмента - долота на 10-15% и, наконец, увеличило вскрытие продуктивных горизонтов на нефть и газ на 30-35%.

Проведенные технико-экономические расчеты эффективности применения на практике разработанных составов химических реагентов на примере КХР-2 показали, что при их использовании в буровых растворах при бурении нефтегазовой скважины №50 на месторождении Сургиль ДП «Устюртское УРБ» АК «Узгеобурнефтегаз» в объеме 60 м³ реальный экономический эффект составил 23,5 млн. сум, а при бурении одной скважины до вскрытия продуктивного горизонта, только за счет замены существующих химических реагентов на разработанные, ожидаемый экономический эффект составит порядка 100 млн. сум.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Впервые разработаны и научно обоснованы возможности создания эффективных композиционных составов химических реагентов для буровых растворов и технологии их производства с использованием местных сырьевых ресурсов и отходов производств азотной кислоты - недопала, модифицированной порошкообразной госсиполовой смолы, цветных металлов - алюмака.

2. Установлены основные закономерности влияния составов ингредиентов на физико-химические процессы, протекающие между ними, которые повышают технологические и эксплуатационные характеристики буровых растворов, позволяющие проведение буровых работ в осложненных геолого-технических условиях.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

буровой раствор химический реагент

1. Патент РУз № IAP 03244. Устройство для сортировки твердых бытовых отходов / Негматов С.С., Лысенко А.М., Бойбородов П.П., Негматова К.С., Негматова М.И.// Расмий ахборотнома. - 2007. -№ 1.

2. Negmatova K.C., Mamadaliev R.M., Latipov I.X., Babaxanova M.G., Salimsakov Yu.A. Research adhesion and other physical-mechanical properties and development of anticorrosive composite polymeric coverings // IV Internationals Conference on time of Polymers (TOP) and composites. - Ischia, Italy -21-24 September, 2008.-Р.236-237.

3. Negmatova K.C., Salimsakov Yu.A. Sobirov B.B., Kobilov N.S., Rakhmanov B.Sh. Research and development of manufacture technology of polymeric composite materials of electro technical purpose filled by hydrolytic lignin // IV Internationals Conference on time of Polymers (TOP) and composites. - Ischia, Italy -21-24 September 2008. -Р.238-239.

4. Негматова К.С. Об актуальности разработки эффективных импортозамещающих и экспортоориентированных композиционных материалов для обработки буровых растворов // Композиционные материалы. -Ташкент, 2009. -№3. -С. 65-66.

5. Негматова К.С. Некоторые особенности Устюртского нефтегазового месторождения и роль промывочных жидкостей при бурении и вскрытии продуктивных горизонтов // Композиционные материалы. -Ташкент, 2009. -№3. -С. 62-63.

6. Негматова К.С., Салимсаков Ю.А., Мусабеков Д.Х., Рахимов Х.Ю., Шарифов Г.Н., Кобулов Н.С. Композиционные нефтеэмульсионные растворы на основе сильноминерализованных пластовых вод и отходов масложирового производства // Композиционные материалы. -Ташкент, 2009. -№3. -С.40-42.

7. Негматова К.С. Композиционные реагенты для буровых растворов на основе отхода производства химических удобрений // Композиционные материалы. -Ташкент, 2009. -№3.-С. 51-53.

8. Негматова К.С., Абед-Негматова Н.С., Лысенко А.М., Бабаев З.И. Разработка конструкции механоактиватора для получения высококачественных ингредиентов // Композиционные материалы. -Ташкент, 2009. -№3. -С. 64-65.

9. Негматова К.С. Эффективный композиционный химический реагент для стабилизации буровых растворов // Композиционные материалы. -Ташкент, 2009. -№4. -С. 68.

10. Негматова К.С. Исследование физико-химических свойств карбонатно-полимерного шлама для приготовления буровых растворов // Композиционные материалы. -Ташкент, 2010. -№1. -С. 79.

11. Негматова К.С., Шарифов Г.Н., Кобилов Н.С., Рахимов Х.Ю., Ахмедов К.А., Салимсаков Ю.А. Исследование технологических свойств водных растворов полиакриламида различной концентрации // Композиционные материалы. -Ташкент, 2010. -№3. -С. 78-79.

12. Негматова К.С. Композиционные полимерные материалы для стабилизации промывочных жидкостей нефтегазовых скважин // Композиционные материалы. -Ташкент, 2010. -№4. -С. 79-80.

13. Негматова К.С. Исследование физико-химических свойств композиционных материалов применительно к получению и стабилизации буровых растворов // ДАН РУз. -Ташкент, 2010. -№ 4. -С. 70-73.

14. Негматова К.С. Исследование синергетического эффекта композиционных материалов и возможности их применения в буровых растворах // Узбекский химический журнал. - Ташкент, 2010. -№ 4. -С.46-49.

15. Негматова К.С. Методика получения образцов композиционных химреагентов с использованием недопала и буровых растворов // Композиционные материалы. -Ташкент, 2011. -№1. -С. 70.

16. Negmatova K.S., Sobirov B.B., Negmatov S.S. Isakov Sh.S., Kobilov N.S., Negmatova M.I., Haydarov J.M.Composite polymer materials for stabilization of washing liquid of oil and gas wells // European polymer congress 2011. XII congress of the specialized group of polymers. Congress program, June 26- jule 1, 2011, Granada, Spain, p. 1015

17. Negmatova K.C., Sharifov G.N., Isakov Sh.S., Negmatov S.S., Sobirov A.B., Rahimov Kh.K. Polymer reagents for stabilization of drilling mud, used in the process of drilling of oil wells // European polymer congress 2011. XII congress of the specialized group of polymers. Congress program, june 26- jule 1, 2011, Granada, Spain, p. 018.

18. Негматова К.С., Салимсаков Ю.А., Шарифов Г.Н., Кобилов Н.С., Хайдаров Ж.М. Эффективные композиционные химические реагенты и буровые растворы на их основе, применяющиеся при различных пластовых давлениях // Академический журнал Западной Сибири. Естественные науки: Достижения нового века, 2011. - № 2. -С.63-64.

19. Негматова К.С., Рахимов Х.Ю., Собиров Б.Б., Рахмонов Б.Ш., Негматов С.С., Салимсаков Ю.А. Технология получения порошкообразной госсиполовой смолы многофункционального назначения //Академический журнал Западной Сибири. Естественные науки: Достижения нового века, 2011. - № 2. -С.64-65.

20. Негматова К.С. Композиционные химические реагенты для безглинистых буровых растворов // Композиционные материалы. -Ташкент, 2011. -№3. -С.58-60.

21. Негматова К.С. Исследование влияния концентрации карбоксиметил-целлюлозы на физико-химические свойства бурового раствора при различном содержании недопала // Композиционные материалы. -Ташкент, 2011. -№4. -С. 25-28.

22. Заявка на патент РУз № IAP 20110258. Способ получения карбоксиметилцеллюлозы / Рахмонбердиев Г., Негматов С.С., Мурадов М.М., Хусанов А.О., Негматова К.С., Лысенко А.М // Расмий ахборотнома. -2012. -№2.

23. Заявка на патент РУз № IAP 20110237. Устройство для получения карбоксиметилцеллюлозы / Мурадов М.М., Негматов С.С., Рахмонбердиев Г., Негматова К.С., Лысенко А.М., Умаров А.Р // Расмий ахборотнома. -2012. -№2.

24. Rahmonberdiev G., Murodov M.M., Negmatova K.S., Negmatov S.S., Lysenko A.M. Effective technology of obtaining the carboxymethyl cellulose from annual plants // Materials Science and Engineering Application II. (ICMSEA 2012), January 7-8, 2012. -Xi'an, China. Р. 541-543.

25. Negmatova K.S., Isakov Sh.S., Kobilov N.S., Negmatova M.I., Haydarov J.M., Sobirov B.B., Negmatov S.S. Effective composite chemical reagents based on organic and inorganic ingredients for drilling fluids used in the process of drilling oil wells // Materials Science and Engineering Application II. (ICMSEA 2012), January 7-8, 2012. - Xi'an, China. Р.544-547.

26. Gaffor Rahmonberdiev, Muzaffar Murodov, Komila Negmatova, Sayibjan Negmatov, Andrey Lysenko. Effective Technology of Obtaining The Carboxymethyl Cellulose From Annual Plants // Trans Tech Publication Advanced Materials Research Vol. 413 (2012). - Switzerland. Р. 541-543

27. Komila Negmatova, Shodilbek Isakov, Nodir Kobilov, Malika Negmatova, Jakhongir Negmatov, Jahongir Haydarov, Gulom Sharifov, Shuhrat Rahimov. Effective Composite Chemical Reagents Based On Organic And Inorganic Ingredients For Drilling Fluids Used In The Process Of Drilling Oil Wells // Advanced Materials Research Vol. 413 (2012). Trans Tech Publications, Switzerland. Р. 544-547.

28.Негматова К.С. Исследование физико-химических свойств недопала -отхода производства азотных удобрений и возможности использования его при разработке композиционных материалов для стабилизации буровых растворов //Композиционные материалы. -Ташкент, 2012. -№1. -С. 75-77

ПРИЛОЖЕНИЕ

3. Разработаны оптимальные составы композиционных химических реагентов типа КХР для буровых растворов и установлено, что они проявляют поверхностно-активные свойства. Показана близость их поверхностной активности при концентрации в буровых растворах более 0,05% к активности сульфанола, а по сравнению с ОП-10 заметно выше, что свидетельствует о возможности их использования в качестве ПАВ взамен дорогостоящего сульфанола и ОП-10.

4. Исследования эмульгирующих свойств, разработанных композиционных составов химических реагентов указывают на то, что, благодаря их повышенной поверхностной активности, они адсорбируются на поверхностях алюмака, недопала и красной глины с образованием агрегативно стабильных эмульсией и суспензий, что хорошо согласуется с теорией моно-молекулярной адсорбции Ленгмюра.

5. Установлено, что введение в буровой раствор разработанных композиционных составов химических реагентов, благодаря их хорошей растворимости в воде, проявлению гидрофобизирующей способности и высокого смазывающего эффекта, а также за счет хорошего физико-химического взаимодействия с компонентами, входящими в состав композиций, способствует проявлению синергетического эффекта, снижению коэффициента фильтрации и коркообразования, что обеспечивает высокое стабилизирующее действие на свойства буровых растворов, улучшает качество обволакивания выбуренной породы из под долота, обеспечивает хорошую промывку забоя скважины, а также повышает механическую скорость бурения на 10-15%, увеличивает вскрытие продуктивных горизонтов на нефть и газа на 30-35% а также обеспечивает экологическую безвредность для окружающей среды.

6. Разработана универсальная технологическая линия и создана пилотная установка на производственной базе научно-технологического центра NTTS “KOMPOZIT”, обеспечивающая получение порошкообразного алюмака, госсиполовой смолы, тонкоизмельченного недопала и композиционных химических реагентов.

...