16.2. Физико-химические основы получения и управления свойствами промывочных жидкостей

16.2.1. Основные свойства буровых промывочных жидкостей и характеризующие их параметры

Свойства – это объективные характеристики тел (объектов), которые в зависимости от условий могут проявляться различно. Поэтому для количественной оценки проявления свойств измеряются показатели (параметры), которые являются субъективными, зависящими от многих факторов, включая температуру, влажность среды, давления, методики измерений, инструментальную технику и т.д.

К основным технологическим свойствам БПЖ относятся масса, структурно-механические, реологические, фильтрационные, коркообразующие, электрохимические, триботехнические, антикоррозионные, теплофизические, ингибирующие, гидрофобизирующие, поверхностно-активные. Такое многообразие свойств БПЖ указывает на важность промывочных жидкостей для буровой технологии и значительную сложность всего процесса строительства нефтегазовых скважин.

Все параметры для контроля вышеперечисленных свойств БПЖ целесообразно разделить на две группы:

1. Параметры БПЖ, измеряемые в полевых условиях. Измеряются в соответствии с РД 39-00147001-773-2004 (РД 39-2-645-81).

2. Параметры БПЖ, измеряемые в промысловых и научно-исследовательских лабораториях. Измеряются по специально разработанным методикам и РД.

В полевых условиях, т.е. непосредственно на буровой, измеряют следующие параметры (размерность, прибор): 1) плотность (кг/м³, АБР-1, ВРП‑1); 2) условная вязкость (с, ВБР-1, воронка Марша); 3) пластическая вязкость (мПа·с, ВСН-3, FANN 35A и др.); 4) динамическое и статическое напряжения сдвига (дПа, ВСН-3, FANN 35A и др.); 5) коэффициент тиксотропности (СНС-2, ВСН-3); 6) коэффициенты нелинейности и консистенции (ВСН-3, FANN 35A и др.); 7) показатель фильтрации (см³/30 мин., ВМ-6, фильтр-прессы); 8) толщина и липкость корки (ИВ‑1, КТК‑2, ФСК‑2М); 9) pH фильтрата (рН-метры, индикаторная бумага); 10) содержание «песка» (%, индикаторная бумага); 11) содержание твердой и жидкой фаз (%, ТФК-2); 12) содержание активной коллоидной фракции (кг/м³, тест МВТ); 13) содержание газа (%, ВГ-1М); 14) показатели кинетической стабильности (кг/м³, ЦС-2); 15) содержание ионов Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺, Cl^– и др. (мг‑экв/л, методы титрования); 16) электростабильность (для ИЭР) (В, ИГЭР‑1, ПЭС‑1); 17) содержание воды (для РУО) (%, Дина и Старка).

Необходимость измерения вышеперечисленных параметров определяется непосредственно буровым предприятием в соответствии с условиями бурения и требованиями «Правил безопасности в нефтегазовой промышленности».

16.2.2. Методы и средства регулирования свойств буровых промывочных жидкостей

Методы регулирования свойств БПЖ. Важнейшей инженерной задачей при строительстве нефтегазовых скважин является регулирование свойств БПЖ, поддержание их агрегативной и кинетической устойчивости в различных условиях бурения. Рост объемной температуры и давления промывочной жидкости с увеличением глубины скважины, поступление в нее солей и шлама приводят к дестабилизации раствора, сопровождающейся, прежде всего, повышением вязкости и показателя фильтрации. Эти два критерия стабилизации и являются предметом повышенного внимания специалистов по бурению скважин. Поскольку формы и причины дестабилизации БПЖ могут быть разнообразны, то и методы ее предупреждения достаточно разнообразны, но в общем виде они сводятся к трем:

1) снижение концентрации поступивших в раствор в процессе бурения частиц твердой фазы и ионов солей – метод разбавления, очистка;

2) повышение концентрации частиц дисперсной фазы – метод загущения;

3) воздействие на свойства дисперсионной среды, дисперсной фазы и на характер их взаимодействия между собой средствами реагентной обработки – метод химической обработки.

Метод химической обработки является основным в регулировании свойств БПЖ.

Химобработка и ее задачи. Химическая обработка БПЖ в современной буровой технологии решает следующие самостоятельные задачи:

1) стабилизация и регулирование параметров стабилизации;

2) структурообразование и регулирование показателей структурно-механических свойств;

3) ингибирование и гидрофобизация;

4) улучшение смазочной способности и регулирование показателей антифрикционных, противоизносных и противозадирных свойств;

5) регулирование специальных свойств, таких как пенообразующих и пеногасящих, эмульгирующих и деэмульгирующих, антикоррозионных, кольматационных, поверхностно-активных, антисероводородных, комплексообразующих, термостойких и др. Для решения указанных задач химические реагенты должны отвечать следующим основным группам требований.

1. Экологическая и промышленная безопасность:

1) не загрязнять почву, воду, атмосферу непосредственно или в результате взаимодействия с окружающей средой;

2) не наносить вреда растительному и животному миру, в том числе человеку;

3) не накапливаться в природе, быть биоразлагаемыми.

2. Технико-технологические требования:

1) эффективно выполнять целевое назначение;

2) технологичность применения, т.е. легкость обслуживания, хранения, совместимость с исходным раствором и другими реагентами;

3) минимальный расход;

4) термо- и морозостойкость;

5) солестойкость;

6) общее облагораживающее действие на промывочную жидкость.

3. Технико-экономические требования:

1) невысокая стоимость;

2) доступность;

3) длительные сроки хранения и стабильность свойств;

4) минимальные адсорбционные потери.

Классификация химических реагентов. Классификационные признаки. Строительство современных нефтегазовых скважин характеризуется ростом объемов бурения стволов сложного профиля, с дальними отходами от вертикали, с проводкой горизонтальных участков в продуктивных пластах. Для управления свойствами БПЖ созданы сотни химических реагентов различного целевого назначения. Рынок химических реагентов в России в настоящее время представлен примерно на 70% продукцией отечественного производства и на 30% продукцией зарубежных фирм.

Существуют различные классификации химических реагентов, призванные облегчить выбор их для конкретных условий бурения. Рассмотрим классификацию реагентов, выполненную на основе следующих наиболее распространенных признаков:

1. Химический состав и строение молекул;

2. Солестойкость;

3. Термостойкость;

4. Назначение.

По химическому составу и строению молекул выделяют четыре группы реагентов:

1. Неорганические низкомолекулярные – вспомогательное назначение.

2. Органические высокомолекулярные с глобулярной формой макромолекул – понизители вязкости;

3. Органические высокомолекулярные с волокнистой (цепеобразной) формой макромолекул – понизители фильтрации;

4. Органические низкомолекулярные – ПАВ, спирты, кислоты и их соли, простые и сложные эфиры.

По солестойкости выделяют четыре группы реагентов:

1) солестойкие при содержании NaCl до 3%; 2) солестойкие при содержании NaCl от 3 до 10%; 3) солестойкие при содержании NaCl более 10% вплоть до насыщения; 4) солестойкие к солям жесткости (Ca²⁺ и Mg²⁺).

По термостойкости выделяют три группы реагентов:

1) термостойкие при температуре до 130 °С; 2) термостойкие при температуре 130 – 160 °С; 3) термостойкие при температуре выше 160 °С.

По назначению выделяют следующие группы реагентов:

1) понизители фильтрации; 2) регуляторы вязкости; 3) структурообразователи; 4) смазочные добавки; 5) ингибиторы; 6) гидрофобизаторы; 7) специального назначения: пенообразователи; пеногасители; эмульгаторы; деэмульгаторы; ингибиторы коррозии; антисероводородные добавки; бактерициды; связывающие Ca²⁺ и Mg²⁺; поставляющие Ca²⁺, K⁺, Al³⁺; повышающие термостойкость; улучшающие проницаемость коллекторов; улучшающие буримость горных пород; комплексообразователи; флокулянты; коагулянты; наполнители; утяжелители.

Следует отметить некоторую условность разделения реагентов, поскольку многие из них многофункциональны и могут соответствовать одновременно нескольким признакам, группам.

Неорганические низкомолекулярные реагенты. Реагенты этой группы, как правило, многофункциональны, относительно недороги и достаточно широко распространены в связи с тем, что с их помощью в комплексе с реагентами других групп можно решать многие вопросы регулирования свойств БПЖ. Поэтому часто их относят к группе реагентов вспомогательного назначения.

В целом неорганические низкомолекулярные реагенты делят на четыре подгруппы:

1. Щелочные: гидроокиси калия (KOH), натрия (NaOH) и кальция (Ca(OH)₂); карбонаты натрия(Na₂CO₃) и калия(K₂CO₃), гидрокарбонат натрия (NaHCO₃) – их часто называют кальцинированная сода, поташ и питьевая (пищевая) сода соответственно.

2. Природные водорастворимые и практически нерастворимые соли: галит (NaCl), сильвин (KCl), бишофит (MgCl₂·6H₂0), карналлит (KMgCl₃·6H₂0), ангидрит, мел, известняк, доломит, барит и др. Используются в основном при получении минерализованных растворов для предупреждения кавернообразования в соленосных породах в разрезах скважин, для утяжеления растворов.

3. Ионные ингибиторы – реагенты, поставляющие в промывочные жидкости катионы K, Ca²⁺, Al³⁺, Si⁴⁺, Cr⁶⁺: хлористый калий и содержащие его отходы промышленности типа хлор-калий электролит (ХКЭ), шламо-электролитная смесь (ШЭС) и МИН-1; кальцийсодержащие реагенты типа гашеной извести, гипса, ангидрита, алебастра, хлористого кальция; алюмокалиевые квасцы (K₂SO₄ · Al₂(SO₄)₃), сернокислый алюминий (Al₂(SO₄)₃), алюминат натрия (NaAlO₂); силикаты натрия (Na₂SiO₃) и калия (Na₂SiO₃), хроматы и бихроматы калия и натрия.

4. Полимероподобные неорганические реагенты. К ним относятся конденсированные фосфаты (полифосфаты), полисиликаты и полихроматы.

Полифосфаты являются хорошими понизителями вязкости БПЖ, однако их термостойкость не превышает 90 – 100 °С. Другое назначение полифосфатов обусловлено их способностью связывать поливалентные катионы солей.

Полисиликаты в буровой технологии представлены метилсиликатом натрия (жидкое стекло) и боросиликатом. Последний хорошо себя зарекомендовал как понизитель вязкости глинистых и полимерглинистых растворов. Жидкое стекло в БПЖ применяется совместно с другими реагентами и улучшает термостойкость карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ), способствует структурообразованию в глинистых и безглинистых промывочных жидкостях и, главное, проявляет ингибирующий эффект при одновременном снижении вязкости раствора при условии недопущения избытка реагента (0,5 – 1%).

Полихроматы представлены хроматами и бихроматами натрия и калия и являются соответствующими солями хромовой и бихромовой кислоты, являются токсичными, относятся к веществам первого класса опасности. Хроматы (Na₂CrO₄, K₂CrO₄) и бихроматы (Na₂Cr₂O₇, K₂Cr₂O₇) являются сильными окислителями, могут ускорять термоокислительную деструкцию КМЦ и ее производных. Поэтому при использовании последних для стабилизации промывочных жидкостей содержание хроматов должно быть не более сотых долей процента.

Полихроматы предназначены для повышения стабилизирующей способности защитных коллоидов, снижения рН, вязкости и повышения термостойкости промывочных растворов.

Органические высокомолекулярные реагенты с глобулярной формой макромолекул. Группу высокомолекулярных органических реагентов с глобулярной формой макромолекул делят на следующие подгруппы:

1) реагенты на основе гуматов; 2) реагенты на основе фенолов; 3) реагенты на основе лигнина.

Реагенты на основе гуматов. Применяются, в основном, углещелочной (УЩР) и торфощелочной (ТЩР) реагенты, благодаря их невысокой стоимости и доступности сырья. Натриевые формы реагентов УЩР и ТЩР проявляют сильное пептизирующее действие на глинистые породы, хорошо снижают вязкость и показатель фильтрации глинистых растворов, повышают рН среды и проявляют эмульгирующее воздействие на углеводороды.

Реагенты на основе фенолов включают в себя распространенные и высокоэффективные понизители вязкости растительного и синтетического происхождения. К ним относятся южно-американское квебрахо и другие природные танниды, продукты их сульфирования, а также конденсированные фенолы и близкие к ним по природе и действию конденсированные нафтолы (кортаны).

Реагенты на основе лигнина наиболее широко распространены как в зарубежной, так и в отечественной буровой технологии. Применяются реагенты на основе окисленного лигнина и лигносульфонатов.

К реагентам на основе окисленного лигнина относятся нитролигнин, хлорлигнин, сунил (сульфированный лигнин).

Реагенты на основе лигносульфонатов наиболее широко используются в буровой технологии в качестве понизителей вязкости, а зачастую и как понизители фильтрации. К ним относятся сульфит-спиртовая барда (ССБ), конденсированные формы (КССБ, КССБ-2М и др.), феррохромлигносульфонат, (ФХЛС), хромлигносульфонат (окзил).

Наибольшее распространение при бурении скважин имеют конденсированные формы лигносульфонатных реагентов.

Органические высокомолекулярные реагенты с волокнистой формой макромолекул. Волокнистая (цепеобразная) форма макромолекул характерна для полимеров – органических соединений с большой молекулярной массой, макромолекулы которых построены в виде связанных в цепочку одинаковых атомов, молекул или звеньев (мономер). Основное назначение этих реагентов – снижение показателя фильтрации промывочных жидкостей на водной основе.

В буровой технологии получили широкое распространение полимерные реагенты на основе полисахаридов и акрилатов. Углерод–углеродная связь более прочная, чем углеводная, поэтому реагенты акрилаты более термостойки, чем реагенты полисахариды.

Реагенты на основе полисахаридов представлены:

а) карбоксиметилцеллюлозой (КМЦ) и ее аналогами – карбоксиметилоксиэтилцеллюлозой (КМОЭЦ), полианионной целлюлозой (ПАЦ) и др.;

б) крахмальными реагентами: МК, ЭКР, КМК, ФИТО-РК и др.;

в) микробными полисахаридами (биополимерами): БП-92, Робус КК, Flo‑Vis, Kem‑X, Duo‑Vis и др.

Реагенты на основе акрилатов относятся к синтетическим полимерам, продуктам нефтехимии, первичным сырьем для производства которых является окись этилена. Широкое распространение получили полиакриламид (ПАА), гидролизованный полиакриламид (ГПАА), гидролизованный полиакрилонитрил (ГИПАН), метас, метакрил-14 (М-14) и др.

Органические низкомолекулярные реагенты. К ним относятся в основном соединения с дифильной структурой молекул – поверхностно-активные вещества (ПАВ). ПАВ находят широкое применение для регулирования различных целевых, специальных свойств промывочных жидкостей, например: 1) эмульгаторы и стабилизаторы для получения эмульсионных растворов – СЭТ-1, СМАД-1, Нефтенол НЗ, ОП-10 и др.; 2) пенообразователи – ОП-7, УФЭ₈, КЧНР, ССБ, ТЭАС, МЛ-80 и др.; 3) смазочные добавки – ФК-2000, Сонбур-1011, СМАД-1М, глитал, САБ-1 и др.; 4) ингибиторы коррозии – ИКБ-2, Т-80, ИВВ-1, ФД-1 и др.; 5) пеногасители – оксали Т-66, Т-80, Т-92, ТЖЖ-50, ТБФ, Стеарокс-6 и др.