технологическая жидкость для глушения нефтегазовых скважин и способ ее приготовления

Формула изобретения

1. Афронсодержащая технологическая жидкость для глушения нефтегазовых скважин, включающая воду, поверхностно-активный компонент - ПАВ, карбонат натрия и стабилизирующие и регулирующие добавки в виде микробного ксантанового биополимера, модифицированого крахмала, отличающаяся тем, что содержит дополнительно алюминиевую пудру при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Микробный ксантановый биополимер	0,5-2,0
Модифицированный крахмал	0,2-2,5
ПАВ	0,01-0,2
Карбонат натрия	0,1-1,0
Пудра алюминиевая	0,005-0,08
Вода	Остальное

2. Способ приготовления афронсодержащей технологической жидкости для глушения нефтегазовых скважин по п.1, включающий смешение ее компонентов с получением двух растворов, один из которых обязательно содержит карбонат натрия и ПАВ, а другой - алюминиевую пудру, и смешение этих растворов при температуре от 50 до 90°С.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к глушению скважин при их капитальном ремонте.

Жидкости глушения при проведении ремонтных работ должны соответствовать определенным требованиям, касающимся их оптимальных фильтрационных и вязкостных характеристик, возможности регулирования структурно-механических свойств, сохранения коллекторских свойств призабойной зоны пласта, доступности составных компонентов и др.

Основными типами технологических жидкостей, используемых в современной практике глушения скважин, являются следующие:

1) хлоркальциевые растворы [1-3], основными недостатками которых являются коагуляция глинистых частиц и выпадение нерастворимых осадков минеральных солей в каналах фильтрации пласта, повышение водонасыщенности в призабойной зоне скважины и снижение дебита скважин, что подтверждается данными технико-экономического анализа [4];

2) технологические жидкости на нефтяной (углеводородной) основе [5-9], к общим недостаткам которых следует отнести нестандартность физико-химических свойств нефти, необходимость применения комплекса реагентов для регулирования и стабилизации технологических свойств гидрофобно-эмульсионных растворов, выполнение целого ряда требований экологической и пожарной безопасности при использовании растворов на нефтяной основе;

3) составы полисахаридных гелей для глушения скважин, а также пенообразующие составы с использованием смеси поверхностно-активных веществ, модифицированных крахмалов или биополимеров, а также различных наполнителей в качестве кольматантов - гидрозоля алюминия, СаСО₃ и др. [10-12]. Эти жидкости находят ограниченное применение, в частности они не могут быть использованы для глушения скважин на месторождениях, вступивших в позднюю стадию разработки и характеризующихся аномально низкими пластовыми давлениями (АНПД), в силу того, что компонентный состав этих жидкостей не обеспечивает вспенивания, достаточного для формирования устойчивой пенной системы с низкой плотностью, что необходимо для глушения скважин в условиях АНПД. Добавление в жидкости глушения мела (СаСО₃), солей и других твердофазных частиц в качестве кольматантов, усиливающих блокирующие свойства, еще более осложняет процесс освоения скважины. Это связано с тем, что при освоении скважины извлечение подобной жидкости, закольматировавшей пласт, возможно только при высоких депрессиях, т.е. высоком давлении деблокирования, что совершенно недопустимо для месторождений с АНПД. В таких случаях для растворения мела, закольматировавшего пласт, приходится прибегать к кислотной обработке, что приводит к значительному увеличению срока освоения скважины и снижению коэффициента восстановления проницаемости продуктивного пласта.

Для предотвращения вышеуказанных осложнений разработаны технологические жидкости, обладающие аномально высокой вязкостью при низких скоростях сдвига и обладающие высокой псевдопластичностью. Обычно они представляют собой коллоидные растворы биополимеров, в частности микробных полисахаридов, в концентрации от 0,5 мас.% до 2 мас.% [13]. Отличительной особенностью псевдопластичных растворов является то, что они обладают исключительно высоким напряжением сдвига в состоянии покоя, которое может уменьшаться в десятки раз при активном перемешивании. Суспензии твердых частиц, приготовленные на основе коллоидных биополимеров, чрезвычайно стабильны, что позволяет предотвратить образование осадка, например, при остановке бурового инструмента, а также в горизонтальных или наклонных участках скважин. Другая отличительная особенность псевдопластичных растворов заключается в том, что они обладают низкими проникающими свойствами при фильтрации в зону коллектора.

За последние годы разработаны буровые растворы и технологические жидкости для заканчивания скважин, не содержащие твердофазные механические понизители фильтрации, а включающие афроны - микроскопические пузырьки газа диаметром 20-100 мкм, защищенные сложной двухслойной оболочкой, состоящей из загущенной воды и поверхностно-активных веществ (ПАВ) [14]. Впервые их описание, как и сам термин «афроны», даны Ф.Себбой [15].

Главным отличием афронов от обычных пен является то, что они окружены двухслойными оболочками с промежуточным слоем воды, в то время как оболочка пузырька воздуха в обычной пене состоит из одного мономолекулярного слоя ПАВ. Вследствие малого размера и специфического строения афроны обладают (по сравнению с пузырьками пен) высокой механической прочностью и стабильностью.

В американском патенте [14], который следует рассматривать как прототип предлагаемой технологической жидкости и прототип предлагаемого способа ее приготовления, описывается состав и способ приготовления технологического раствора на основе полимерных добавок и специально подобранных поверхностно-активных компонентов, представляющих собой группу эмпирически подобранных синтетических ПАВ. В качестве активного начала предлагается использовать, в частности, диоктилсульфосукцинат натрия, фирменный ПАВ «Chubb National Foam-High Expansion», входящий в состав реагента «Blue-Streak», выпускаемый фирмой M-I Drilling Fluids, и некоторые другие дорогостоящие и малодоступные компоненты. Описанные синтетические ПАВ позволяют получить стабильные микропузырьковые газовые включения, снижающие общую плотность растворов. Преимуществом последних, по сравнению с обычными пенами, является то, что афроны легко проходят даже через мелкие ячейки вибросит, а под воздействием центробежных сил в гидроциклонах и центрифуге всплывают и отделяются вместе с чистым раствором. Благодаря своему малому размеру и высокой прочности афроны по сравнению с пенами не оказывают влияния на работу буровых и центробежных насосов, а также полностью совместимы с телеметрическими системами, использующими гидравлический канал передачи данных. Благодаря упругости, гидрофобному характеру наружной поверхности микропузырьков и их конгломератов (от десятков микрон до нескольких миллиметров) афроны обладают способностью к обратимой кольматации широкого диапазона проницаемых сред - от низкопроницаемых песчаников до трещиноватых известняков с проницаемостью в десятки Дарси, образуя на их поверхности подобие защитной оболочки. Состав-прототип имеет нейтральные или щелочные значения рН, достигаемые введением различных компонентов и, в частности, карбоната натрия.

Главным преимуществом афронов перед другими кольматирующими агентами является то, что они не образуют необратимых корок и блокирующего экрана на поверхности и в самом коллекторе и легко диссоциируют в раствор при снятии напряжений. В известных составах буровых растворов афроны генерируются под воздействием высоких механических напряжений и кавитации, например, в центробежных насосах, гидромониторных насадках долот, гидросмесителях, гидроциклонах, в процессе компрессии и декомпрессии жидкости в момент движения в стволе скважины и т.д.

Применение известных афронсодержащих технологических жидкостей в практике глушения скважин хотя и представляется перспективным, но осложнено тем, что процесс инкорпорирования воздушных пузырьков в жидкую фазу происходит лишь при ее активном диспергировании и одновременном захвате воздуха. Такие процессы являются естественными, если афронсодержащая жидкость используется в качестве бурового раствора, т.е непрерывно циркулирует в стволе скважины через градиент гидростатического давления, через вибросита, центробежные насосы и при этом перемешивается, захватывая воздух в открытых технологических емкостях. Статическое использование технологической жидкости, например, для глушения скважины, не создает условий для автогенерации афронов и требует установки дополнительного газодиспергирующего оборудования, что значительно удорожает стоимость ремонта скважины.

Решаемая предлагаемой группой изобретений задача и ожидаемый технический результат заключаются в разработке состава и способа приготовления афронсодержащей жидкости глушения в статических условиях без использования специального газодиспергирующего оборудования на основе доступных реагентов.

Поставленная задача решается тем, что афронсодержащая технологическая жидкость для глушения нефтегазовых скважин, включающая воду, поверхностно-активный компонент - ПАВ, карбонат натрия и стабилизирующие и регулирующие добавки в виде микробного ксантанового биополимера, модифицированного крахмала, отличается тем, что содержит дополнительно алюминиевую пудру, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Микробный ксантановый биополимер	0,5-2,0
Модифицированный крахмал	0,2-2,5
ПАВ	0,01-0,2
Карбонат натрия	0,1-1,0
Пудра алюминиевая	0,005-0,08
Вода	Остальное

Поставленная задача решается также тем, что способ приготовления указанной афронсодержащей технологической жидкости для глушения нефтегазовых скважин включает смешение ее компонентов с получением двух растворов, один из которых обязательно содержит карбонат натрия и ПАВ, а другой - алюминиевую пудру, и смешение этих растворов при температуре от 50°С до 90°С.

Алюминиевая пудра в щелочных условиях, создаваемых присутствием кальцинированной соды, реагирует с водой в соответствующих температурных условиях, возможно, непосредственно в пласте, - с образованием микропузырьков водорода, защищенных сложной двухслойной оболочкой, состоящей из загущенной полисахаридными компонентами воды и поверхностно-активных веществ, т.е. афронов.

Предлагаемый способ приготовления такой афронсодержащей технологической жидкости для глушения скважин заключается в раздельном приготовлении двух растворов, один из которых («активатор») обязательно содержит щелочной ингредиент и поверхностно-активный компонент, а другой («процессор») - включает в своем составе алюминиевую пудру.

Сама афронсодержащая технологическая жидкость готовится путем простого смешения двух указанных растворов - «активатора» и «процессора» - в одной емкости перед подачей ее в скважину с предварительным подогревом до температуры плюс 50°С - плюс 90°С или непосредственно в скважине за счет геотермального разогрева.

Предлагаемый алюминиево-щелочной газообразователь дешев, доступен и является экологически чистым продуктом, при этом растворы «активатора» и «процессора» по отдельности могут длительное время храниться в стабильном состоянии, а генерация афронов будет происходить лишь после смешения неактивных компонентов и после прогрева активизированного раствора или в емкости, или в стволе скважины при температуре выше 30°С. Использование алюминиево-щелочного газообразования известно и широко используется, в частности, при изготовлении ячеистых бетонов [16]. Вместе с тем, в специальной литературе сведения, касающиеся образования афронов в загущенных полисахаридных растворах, содержащих алюминий и соду и не подвергнутых механическому диспергированию, отсутствуют. Поэтому заявляемое решение, по мнению авторов, соответствует критерию «изобретательский уровень».

Возможности предлагаемого изобретения могут быть проиллюстрированы примерами, приведенными ниже.

Пример 1. Иллюстрирует образование афронов после добавления в базовый раствор алюминиевой пудры и карбоната натрия.

Готовили базовый раствор, содержащий микробный ксантановый биополимер марки «Родопол» 1,0 мас.%, модифицированный крахмал Фито-РК (ТУ-2483-002-4166845222-97) - 2,0 мас.%, ПАВ - лаурилсульфат натрия - 0,025 мас.% (ТУ 6-09-64-75) и водопроводную воду - 96,975%.

В порции базового раствора вносили добавки безводного карбоната натрия (ТУ 2131-002-44267537-2001) в интервале концентраций 0,1-1,0 мас.%, а также добавки алюминиевой пудры (ГОСТ 5494-95) в интервале концентраций 0,005 - 0,08 мас.%. Полученные жидкости подвергали тщательному перемешиванию и прогреву при 80°С в течение 40 минут.

Образование афронов (микропузырьков водорода) оценивали по плотности полученных растворов, измеренной стандартными методами в 25 мл - пикнометрах при 20°С и атмосферном давлении. Результаты измерений суммированы в таблице 1.

Таблица 1.
Образование газодисперсных систем в растворах после добавления алюминиевой пудры и углекислого натрия
№№ П.п.	Концентрации добавок, мас.%		Увеличение объема жидкости за счет образования газовой фазы (об.% при нормальных условиях)	Плотность раствора при 20°С, г/см3
	Натрий углекислый безводный	Алюминиевая пудра
1	0	0	0	1,0301
2	0,1	0,005	5Д	0,9800
3	0,2	0,01	9,7	0,9389
4	0,3	0,03	25,2	0,8227
5	0,4	0,05	40,1	0,7352
6	1,0	0,08	69,7	0,6069

Пример 2. Иллюстрирует стабильность микропузырькового раствора, полученного по классической технологии с применением механического диспергирования воздуха (подобно прототипу), и афронового раствора, полученного методом генерации пузырьков водорода из алюминиевой пудры.

Готовили базовый раствор по прописи, приведенной в примере 1.

Для генерации афронов путем диспергирования раствора его порцию помещали в закрытый металлический стакан блендера MPW-302 и подвергали трехкратному механическому перемешиванию. Время одной обработки составляло 3 минуты, скорость вращения блендера 18000 мин ^-1, перерыв между операциями 15-20 минут. Диспергирование газа (воздуха) происходило за счет захвата крупных пузырьков воздуха с поверхности жидкости под воздействием ножа высокоскоростного блендера.

Для генерации афронов с помощью алюминиевой пудры и соды в порцию базового раствора вносили добавку безводного карбоната натрия (ТУ 2131-002-44267537-2001) в концентрации 0,4 мас.%, а также добавку алюминиевой пудры 0,05 мас.% (ГОСТ 5494-95). Полученную жидкость подвергали тщательному перемешиванию и прогреву при 80°С в течение 40 минут.

Полученные растворы, содержащие микропузырьковые дисперсии газа (воздуха и водорода) в смеси базовых реагентов, переносили в стеклянные бюксы, снабженные притертыми крышками, и термостатировали при разных температурах длительное время. Для предотвращения испарения воды из водного слоя жидкости сверху наслаивали жидкий гексадекан (5-10 мм). Через фиксированные промежутки времени, определенные условиями опыта, пробы жидкости извлекали из-под слоя гексадекана с помощью пипетки, дозировали в градуированные пиконометры, термостатировали при 20°С и измеряли плотность весовым методом. Результаты замеров плотностей опытных образцов, полученные в течение 10-ти суточного опыта и представленные в таблице 2, указывают на более высокую стабильность газодисперсных систем, полученных в результате реакции алюминиевой пудры с карбонатом натрия.

Таблица 2.
Температурная стабильность газодисперсных. систем в растворах, полученных механическим (М) и химическим способом с помощью алюминиевой пудры (А)
№	Условия экспозиции	Метод генерации афронов	Плотность раствора (г/см 3), измеренная при 20°С после экспозиции смеси в течение, ч
			0	12	24	72	144	240
1	Контрольный раствор Т=22-25°С	-	1,026	1,026	1,026	1,026	1,026	1,026
2	Температура 12-15°С	М	0,6056	0,7916	0,8825	0,9714	1,0050	1,0154
3	Температура 22-25°С	М	0,6056	0,8084	0,9106	0,9914	1,0081	1,0116
4	Температура 32°С	М	0,6056	0,8566	0,9701	0,9952	1,0141	1,0172
5	Температура 43°С	М	0,6056	0,8993	0,9916	0,9591	1,0012	1,0151
6	Температура 12-15°С	А	0,7312	0,7332	0,7336	0,7330	0,7342	0,7339
7	Температура 22-25°С	А	0,7312	0,7340	0,7340	0,7340	0,7340	0,7331
8	Температура 32°С	А	0,7312	0,7339	0,8712	0,9845	0,9956	1,009
9	Температура 43°С	А	0,7312	0,7465	0,9815	0,9981	1,0015	1,018

Пример 3. Иллюстрирует возможные варианты составов двух растворов - «активатора и «процессора». Генерация микропузырковых систем осуществляется смешением равных объемов двух растворов - «активатора и «процессора», приготовленных отдельно для каждого из вариантов.

Таблица 3.
Варианты смесей для генерации микропузырковых систем, приготавливаемых смешением равных объемов двух растворов - «активатора и «процессора».
Наименование компонента	Варианты раствора №1 («активатора»)				Варианты раствора («процессора») №2
	1	2	3	4	1	2	3	4
Микробный ксантановый биополимер, мас.%	0,85	1,25	1,7	0,65	0,85	1,25	0,65	1,7
Модифицированный крахмал, мас.%	0,1	0,3	0,5	1,0	0,1	0,3	0,5	1,0,
Карбонат натрия, мас.%	0,2	0,6	0,6	2,0	0	0	0	0
Пудра алюминиевая мас.%	0	0	0	0	0,001	0,01	0,08	0,16
ПАВ, мас.%	0,01	0,025	0,1	0,2	0	0	0	0
Вода, мас.%	48,84	47,825	47,1	46,15	49,049	48,44	48,77	47,14

Источники информации

1. Заявка РФ №2003121616.

2. Заявка РФ №2003126134.

3. Патент РФ №2250360.

4. Поп Г.С., Кучеровский В.М., Гереш П.А. Технико-экономический анализ результатов воздействия технологических жидкостей на призабойную зону продуктивных пластов газоконденсатных месторождений // Обзорная информация. Сер. Разработка и эксплуатация газовых и газоконденсатных месторождений. - М: ИРЦ Газпром, 1995. - 101 с.

5. Заявка РФ №2003129052.

6. Патент РФ №2255209.

7. Патент РФ №2264531.

8. Патент РФ №2258802.

9. Заявка РФ №2005108303.

10. Патент РФ №2246609.7.

11. Заявка РФ №2005108303.

12. Патент РФ №2266394.

13. Андресон Б.А., Гибадуллин Н.З., Гилязов P.M., Кондрашев О.Ф. Физико-химические основы применения полисахаридных буровых растворов для заканчивания скважин - Уфа: Монография, 2004. - 247 с.

14. Патент США №5881826.

15. Felix Sebba, "Foams and Biliquid Foams-Aphrons", Virginia Polytechnic Institute and State University, pp 62-69, 1987.

16. Ф.Вавржин, Р.Крчма. Химические добавки в строительстве. М.: Стройиздат, 1964, 287 с.