Современный период развития нефтегазовой промышленности характеризуется возрастанием доли трудноизвлекаемых запасов нефти и газа. Повсеместно происходит освоение, разработка и ввод в эксплуатацию новых нефтяных и газоконденсатных месторождений в районах со сложными горно-геологическими условиями.
Одним из таких регионов буровой активности является Восточная Сибирь, где при проводке скважин возникает ряд осложнений, связанных с низкой буримостью пород, повышенной заглинизованностью разрезов, наличием в разрезе галогено-карбонатного комплекса, умеренно повышенными температурами продуктивных пластов (50-70°С), а также активным рапопроявлением и наличием пластовых вод, насыщенных солями поливалентных металлов, в основном, хлоридами кальция.
Обеспечение качественного вскрытия пластов в таких условиях обусловливает необходимость использования соленасыщенных буровых растворов, способных:
- обеспечивать длительную устойчивость ствола скважины и оказывать ингибирующее действие на глинистые минералы коллектора;
- выдерживать действие высоких температур и высокие концентрации ионов кальция (кальциевую агрессию).
На данный момент проблема обеспечения нефтегазоразведочных предприятий региона специфичными реагентами буровых растворов, позволяющих качественно вскрывать слабопроницаемые терригенные пласты, является актуальной и требует своего решения. Поставляемые в Восточную Сибирь буровые реагенты из других регионов и государств отличаются высокой стоимостью и не всегда отвечают возросшим экологическим требованиям. Поэтому возникает необходимость нахождения способов использования местного сырья для нужд буровой технологии.
Одним из приоритетных направлений решения данного вопроса является разработка новых систем промывочных жидкостей с улучшенными техническими характеристиками - полимермицеллярных гидрогелей, сочетающих положительные свойства полимерных и мицеллярных гелей.
Нами было проведено исследование технических свойств буровых растворов, приготовленных с использованием двух новых реагентов: полимерного загустителя - калиевой соли метилкарбоксиметилцеллюлозы (К-МКМЦ) и смазочной добавки на основе отходов переработки растительных жиров. Реагенты были синтезированы в лабораторных условиях с использованием доступного местного сырья: сульфатной вискозной целлюлозы производства Байкальского ЦБК и побочного продукта Иркутского масложиркомбината (соапстока).
К-МКМЦ представляет собой простой смешанный эфир целлюлозы общей формулой: [C6H7O2(OH)3-x-y (OCH3)х(CH2COOK)y]n, где х = 0.1.-0.4, у = 1.4-1.5. Полимер обладает высокой загущающей способностью и характеризуется высоким содержанием основного вещества в готовом продукте.
Готовая смазочная добавка на основе соапстока является смесью водного раствора нейтрализованных высших жирных кислот (калиевые мыла), свободных (не нейтрализованных) жирных кислот (ЖК), а также сложных эфиров жирных кислот и пропиленгликоля являются поверхностно-активными веществами аниоактивного и неионогенного действия, соответственно.
Основным структурообразующим элементом (дисперсной фазой) исследуемого бурового раствора является гидрофобная поверхность полисахаридного каркаса гидрофильные полости внутри которого заняты мицеллами ПАВ. Мицеллы образуют ионные связи.с карбоксильными группами К-МКМЦ, внутри которых солюбилизируются свободные жирные кислоты. При этом молекулы неионогенного ПАВ вступают в комплексообразование с молекулами анионактивного ПАВ посредством поддандных взаимодействии между атомами кислорода оусипропильной цепочки и неорганическими противоионами (К+), что приводит к снижению концентрации мицеллообразования нейтрализованных ЖК и увеличению концентрации мицеллярных структур.
На основе синтезированных реагентов были приготовлены безглинистые буровые растворы, представляющие собой полимер-мицеллярные гидрогели, и изучены их свойства.
Поскольку К-МКМЦ обладает повышенной степенью замещения по карбоксиметильной группе, можно предположить, что ее макромолекулярные цепи, вследствие увеличения электростатических отталкиваний между полярными группами, становятся более «выпрямленными» и жесткими, в них уменьшается доля спиральных участков. Это приводит к снижению прочности образующейся системы, но и, одновременно к улучшению противофильтрационных характеристик и снижению значений пластической вязкости растворов. Для создания «полноценной» структуры системы в нее была введена структурообразующая добавка - хлорид алюминия, действие которого обусловлено способностьк «сшивать» в поперечном направлении макромолекулы по лисахарида по карбоксильным группам трехвалентными ионами А13+ с образованием трехмерных вязкоэластичньд гелей. В ходе экспериментов было определено оптимальное количество А1С13, которое составило 0,06 г (в пересчете на безводную соль) на 1 г К-МКМЦ. При более высоких концентрациях происходит полная поперечная сшивка полимера, вследствие чего значительно снижается его растворимость и полимер выпадает в осадок. При меньшей же концентрации не происходит заметного улучшения структуры, а следовательно, и свойств растворов.
В таблице 1 представлены результаты исследования технических параметров водных растворов на основе К МКМЦ с добавлением А1С13 и смазочной добавки различно го состава.
Из таблицы видно, что при повышении массовой доли нейтрализованных ЖК происходит улучшение реологических и смазочных свойств системы, но одновременно не сколько увеличивается водоотдача.
Увеличение концентрации свободных ЖК приводит к снижению сдвиговых и псевдопластичных свойств, при этом улучшаются смазочные и антифильтрационные показатели растворов. Нетрудно заметить, что повышение массовой доли свободных ЖК вызывает возрастание смазочных способностей системы в большей степени, чем увеличение концентрации нейтрализованных ЖК. Это можно объяснить тем, что действие готовых мыл как компонента смазочной добавки менее эффективно, чем не нейтрализованных ЖК, которые образуют органометаллические мыла непосредственно в зоне трения бурового инструмента. При этом степень нейтрализации ЖК в смазочной добавке должна быть не менее 0,3 - 0,45, чтобы обеспечить наилучшую диспергируемость свободных ЖК в водном буровом растворе и доставить их к трущимся металлическим поверхностям.
В таблице 2 представлены данные по изменению технических параметров солевого раствора на основе хлорида калия при увеличении содержания ионов кальция и повышении температуры до 65 °С. Раствор готовился с использованием 2% К-МКМЦ и 3% смазочной добавки следующего состава, масс. %: нейтрализованные жирные кислоты - 18, свободные жирные кислоты - 28, сложные эфиры жирных кислот и полипропиленгликоля - 10, вода - 44 Исходный раствор имел следующие характеристики-р=1063 кг/м3, УВ500 - 55 с, Ф30 - 8,5 см3. Минерализация раствора повышалась путем добавления при перемешивании хлорида кальция.
Из данных таблицы видно, что фильтрационная характеристика раствора остается практически на уровне исходного показателя. Это позволяет говорить об устойчивости раствора к кальциевой агрессии и действию повышенных температур.
Таким образом, представленная новая система безглинистого водного бурового раствора за счет синергетического влияния входящих в нее компонентов сочетает в себе высокие структурные и псевдопластичные свойства, а также значительные противофильтрационные и смазочные характеристики. Оптимизировать свойства данного раствора можно варьированием содержания компонентов.
Благодаря отсутствию ионов натрия в системе можно ожидать повышения ингибирующего действия раствора по отношению к глинистым минералам.
Входящие в состав раствора буровые реагенты удовлетворяют экологическим требованиям и по классификации токсичности могут быть отнесены к 4 классу по ГОСТ 12.1.007 — 76 «Малоопасные вещества».
По результатам исследований новая система бурового раствора может быть рекомендована для качественного вскрытия заглинизованных продуктивных песчаников Восточной Сибири.