многофункциональный реагент для обработки буровых растворов "кемфор-мсмг" и способ обработки буровых растворов

Формула изобретения

1. Многофункциональный реагент для обработки буровых растворов, содержащий сульфатное мыло и эфиры целлюлозы или крахмала, отличающийся тем, что он дополнительно содержит минеральное или растительное масло и графит при следующем соотношении компонентов, маc.%:

Сульфатное мыло (на сухой остаток) 67,5-87,75

Эфиры целлюлозы или крахмала 1,55-9,0

Графит 1,66-12,5

Минеральное масло с кинематической

вязкостью при 20°С не более

49 мм²/с (сСт) или растительное масло

с кинематической вязкостью

при 20°С не более 6,7 мм²/с (сСт) 3,34-16,7

2. Способ обработки буровых растворов, включающий введение в буровые растворы многофункционального реагента, состоящего из эфиров целлюлозы или крахмала и сульфатного мыла, отличающийся тем, что указанный реагент дополнительно содержит минеральное или растительное масло и графит при следующем соотношении компонентов, маc.%: эфиров целлюлозы или крахмала 1,55-9,0, сырого сульфатного мыла (на сухой остаток) 67,5-87,75, графита 1,66-12,5, минерального масла с кинематической вязкостью при 20°С не более 49 мм²/c (сСт) или растительного масла с кинематической вязкостью при 20°С не более 6,7 мм²/с (сСт) 3,34-16,7, а реагент вводят в количестве 0,2-2,5 % от массы бурового раствора.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к бурению нефтяных и газовых скважин, может быть использовано при приготовлении реагента для буровых растворов и предназначено для осуществления технологии химической обработки буровых растворов.

Известно использование для обработки буровых растворов сульфатного мыла [1, 2, 3]. Но в исходном (сыром) виде применение этого вещества крайне осложнено замерзанием и невозможностью дозирования при отрицательных температурах, интенсивным вспениванием буровых растворов, большими расходами.

Широко описано использование в качестве добавок для буровых растворов производных сульфатного мыла: сырых талловых масел [4, 5, 6]; легкого таллового масла [7, 8, 9, 10, 11]; кислот дистиллята таллового масла [12, 13]; их амидов [14]. Указанные выше композиции имеют лишь специфическое применение, как смазочные добавки. Однако, обладая хорошими смазывающими свойствами, даже при больших расходах на обработку буровых растворов эти вещества незначительно снижают фильтрацию.

Описано применение в буровых растворах растительных масел [15]; продуктов их переработки [16, 17]; соапстоков [18, 19]. Известно применение в практике бурения минеральных масел [20] и их композиций с жирными кислотами [21, 22] и др. Упомянутые аналоги имеют свою специфику и ограничения: самостоятельно не создают и не поддерживают тиксотропные системы, не обладают противофильтрационными свойствами.

Известен реагент для обработки глинистых растворов “Кемфор-МСМ” [23], содержащий эфиры целлюлозы или крахмала и сульфатное мыло, при этом он содержит ингредиенты при их следующем соотношении, мас.%:

эфиры целлюлозы или крахмала 2,5-10

сульфатное мыло

(на сухой остаток) 90-97,5

Многофункциональный реагент “Кемфор-МСМ”, взятый нами в качестве прототипа, по сравнению с известными является также высокоэффективным. Но этот реагент характеризуется негативной способностью техногенного аэрирования, проявляющегося во вспенивании бурового раствора при его перемешивании, движении и воздействии агрегатов очистной системы буровых установок. По химической природе в реагенте недостаточно реализованы возможности предотвращения или ослабления сложных (комбинированных) видов трения [23].

Технической задачей предлагаемого решения является устранение техногенного аэрирования буровых растворов, придание им универсальных смазочных и противоизносных свойств при комбинированных видах трения, кратное снижение прихватоопасных свойств глинистых буровых растворов за счет уменьшения напряжения сдвига и коэффициента трения по фильтрационной корке, снижение скорости износа бурового инструмента за счет интенсификации смазочных свойств глинистых буровых растворов, повышение термостойкости буровых растворов.

Поставленная задача в многофункциональном реагенте для обработки буровых растворов, содержащем сульфатное мыло, эфиры целлюлозы или крахмала, минеральное или растительное масло и графит, решается тем, что он содержит указанные ингредиенты при следующем соотношении, мас.%:

сульфатное мыло (на сухой остаток) 67,5-87,75

эфиры целлюлозы или крахмала 1,55-9,0

графит 1,66-12,5

минеральное масло с кинематической

вязкостью при 20°С не более

49 мм² /с (сСт) или растительное масло

с кинематической вязкостью при

20°С не более 6,7 мм²/с (сСт) 3,34-16,7

Существенными отличительными признаками в заявленном изобретении являются:

- многофункциональный реагент для обработки глинистых буровых растворов дополнительно содержит минеральное или растительное масло и графит при следующем соотношении компонентов, мас.%:

- минеральное масло с кинематической вязкостью при 20°С не более 49 мм²/С (сСт) 3,34-16,7;

- или растительное масло с кинематической вязкостью при 20°С не более 6,7 мм ²/c (cCT) 3,34-16,7;

- графит 1,66-12,5.

Известен способ обработки буровых растворов, включающий введение в буровые растворы реагента, состоящего из эфиров целлюлозы или крахмала и сульфатного мыла, при этом указанный реагент, полученный из мас.%: эфиров целлюлозы или крахмала 2,5-10 и сырого сульфатного мыла (на сухой остаток) 90-97,5, вводят в буровой раствор в количестве 0,25-1,0 мас.% от объема бурового раствора [23].

Недостатком известного способа обработки буровых растворов, взятого нами в качестве прототипа, является негативная способность техногенного аэрирования, проявляющегося во вспенивании бурового раствора при его перемешивании, движении и воздействии агрегатов очистных систем буровых установок.

Технической задачей заявленного способа обработки буровых растворов является устранение техногенного аэрирования буровых растворов, придание им универсальных смазочных и противоизносных свойств при комбинированных видах трения, кратное снижение прихватоопасных свойств глинистых буровых растворов за счет уменьшения напряжения сдвига и коэффициента трения по фильтрационной корке, снижение скорости износа бурового инструмента, за счет интенсификации смазочных свойств глинистых буровых растворов, повышение термостойкости буровых растворов.

Для реализации технического решения использовано сульфатное мыло-сырец, которое представляет собой мазеобразное вещество от темно-желтого до темно-коричневого цвета. Сульфатное мыло состоит из приблизительно равных количеств натриевых солей смоляных и жирных кислот и сравнительно меньшего количества окисленных и неомыляемых веществ. В составе загрязнений находится значительное количество лигнина, минеральных и других веществ, содержащихся в черном щелоке и извлекаемых при отстаивании выделяющимся сульфатным мылом. Количественные характеристики сульфатного мыла представлены в табл. 1.

В техническом решении использованы минеральные масла - жидкие смеси углеводородов: а) дистиллятные - полученные дистилляцией нефти; б) остаточные - полученные удалением компонентов из гудронов; в) компаундированные - полученные смешением дистиллятных и остаточных минеральных масел. В частности, индустриальные масла - это дистиллятные нефтяные масла малой и средней вязкости (5-50 мм²/c при 50°С). Компрессорные масла с вязкостью 7-30 мм² /с при 100°С получают глубокой очисткой нефтяных масел.

Использованы распространенные, с относительно низкой стоимостью жидкие растительные масла. Качественные характеристики минеральных и растительных масел представлены в табл. 2.

Графит - модификация углерода, кристаллизующаяся в гексагональной слоистой структуре. Применен графит смазочный марки П по ГОСТ 8295-73, который характеризуется массовой долей углерода не менее 91%, зольностью не более 7% и рН водной вытяжки 6,0-8,2.

Использованы эфиры целлюлозы и крахмала производства ЗАО “Поли-целл” (г. Владимир). Их характеристики представлены в табл. 3.

В известном способе обработки буровых растворов поставленная задача решается введением в буровые растворы реагента, полученного при следующем составе и соотношении компонентов, мас.%: эфиров целлюлозы или крахмала 2,5-10 и сырого сульфатного мыла (на сухой остаток) 90,0-97,5, а реагент вводят в количестве 0,25-1,00% от массы бурового раствора.

Существенными отличительными признаками заявленного способа применения реагента для буровых растворов являются:

- реагент дополнительно содержит минеральное или растительное масло и графит, полученный из мас.%: эфиров целлюлозы или крахмала 1,55-9,0, сырого сульфатного мыла (на сухой остаток) 67,5-87,5; графита 1,66-12,5; минерального масла с кинетической вязкостью при 20°С не более 6,7 мм² /c (сСт) 3,34-16,7;

- реагент вводят в количестве 0,2-2,5% от массы бурового раствора.

Вышеприведенные существенные отличительные признаки многофункционального реагента для обработки буровых растворов и способа обработки буровых растворов нам были неизвестны из патентной и научно-технической информации, и в связи с этим мы считаем, что они являются новыми, т.е. обладают новизной.

Достигнутая предлагаемым многофункциональным реагентом эффективность предотвращения техногенного аэрирования связана с синергетическими механизмами саморазрушения пенных пленок, содержащих микрочастицы графита, и слабопрочных пленок, включающих эмульгированные субмикрокапли минеральных или растительных масел. Отмеченная особенность механизма антивспенивания неочевидна, не описана в научно-технических публикациях и является аспектом соответствия заявляемого решения критерию “изобретательский уровень”.

Заявленное изобретение успешно прошло лабораторные испытания и апробацию при бурении скважин, что позволяет нам утверждать о его соответствии критерию “промышленная применимость”.

Для конкретизации соответствия заявляемого решения критерию “промышленная применимость” приводим примеры получения реагента:

Пример 1 (прототип)

К 100 г сырого сульфатного мыла с остаточной влажностью до 30% добавляют 1,8-2,0 г карбоксиметилцеллюлозы марки 7С. После удаления около 30 мас.% воды получается реагент состава 1 (по табл.4), содержащий 97,5 мас.% сухого остатка сульфатного мыла, 2,5 мас.% карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) с влажностью около 2 мас.%.

Пример 2

К 100 г сырого сульфатного мыла добавляют 1,8-2,0 г Na-карбоксиметилцеллюлозы марки 7С, а затем обрабатывают смесью трансформаторного масла марки ТСп и графита при соотношении 2:1 в количестве 20% к массе сухого полупродукта. Получается реагент состава №15 (по табл.4), содержащий 78% сухого остатка сульфатного мыла, 2,0% Na-КМЦ (марки 7С), 6,64% графита и 13,36% трансформаторного масла (марки ТСп).

В соответствии с указанным примером были приготовлены различные рецептуры реагента, отличающиеся количественным соотношением ингредиентов (табл. 4), качественным составом используемых масел (табл. 5) и качественным составом эфиров целлюлозы или крахмала (табл. 6).

Для экспериментальной проверки заявляемого способа обработки буровых растворов был приготовлен 101 состав реагента (табл.4-6). Технология обработки заключалась во введении реагента с заявляемым соотношением компонентов в предварительно подготовленный модельный буровой раствора и перемешивании в течение 0,5-1 ч на лопастной механической мешалке при скорости 500 об/мин.

Полученный реагент – гранулированное вещество с размерами фракций преимущественно 5-15 мм (до 75%). Внешне реагент представляет собой пористые маслянистые гранулы черного или серебристо-черного цвета; легко дозируется, не смерзается. Влажность не более 5-7%. Растворимость реагента (помимо графитового компонента) 99-100%. Показатель концентрации ионов водорода для 1%-ного раствора 9,5-10,5. При необходимости усилить определенные свойства бурового раствора соотношение компонентов в реагенте можно изменять Полученный реагент не относится к коррозионным, радиационным, взрывчатым веществам и не обладает свойствами самовозгорания.

Реагент испытывали в соответствии с РД 39-22-645-81 “Методика контроля параметров буровых растворов” на модельных буровых растворах, приготовленных на промышленных глинопорошках. Противоизносные характеристики буровых растворов определяли на машине трения МТ-2, коэффициент трения глинистой корки на приборе ФСК-2, коэффициент липкости глинистой корки на усовершенствованном приборе ВСН-2.

У модельных буровых растворов, обработанных реагентом с концентрациями компонентов ниже и выше заявляемых значений, не решается задача, поставленная изобретением в области устранения техногенного пенообразования и эффективного снижения триботехнических параметров (противоизносных и комбинированных процессов трения).

По табл. 7 в примерах №№5, 6, 29, 30, 53, 54 качественный состав реагента выходит за пределы формулы. В примерах №№2, 3, 10-12, 17-19, 23, 24, 26, 27, 34-36, 41-43, 47, 48, 50, 51, 58-60, 65-67, 71, 72 количественные соотношения между компонентами реагента выходят за пределы, заявленные в формуле изобретения. И, как следствие, техническое решение не достигается или не является эффективным.

Вышеперечисленные реагенты, в которых не соблюдаются указанные соотношения, придают модельным растворам значительную вспениваемость, пониженную термостойкость, высокие значения коэффициентов трения и липкости и кратно большие триботехнические характеристики.

Введение масляно-графитовой смеси менее 10% не обеспечивает устранение техногенного аэрирования и достаточного улучшения триботехнических свойств, а увеличение содержания пропиточного состава более 25% экономически нецелесообразно, т.к. при этом не отмечается рост показателей полезных свойств, но увеличивается фильтрация жидкой фазы бурового раствора.

Из таблиц составов реагента 4-6 и таблиц испытаний 7-9 видно, что областью оптимального содержания компонентов можно считать, мас.%:

сульфатное мыло (на сухой остаток) 67,5-87,75

эфиры целлюлозы или крахмала 1,55-9,0

графит 1,66-12,5

минеральное или растительное масло 3,34-16,7

Заявляемый многофункциональный реагент для обработки буровых растворов по химической природе является сбалансированным концентратом анионных ПАВ-натриевых солей и свободных жирных кислот сульфатного мыла, триглицеридов и углеводородов. Поэтому реагент особенно эффективен как противоизносная добавка при высоких контактных нагрузках прижатия (18-22 МПа).

В результате применения многофункционального реагента с предлагаемым составом в среде буровых растворов происходит химическое модифицирование поверхностей трения, и образуется объемный комбинированный смазочный слой. На графитовой пленке высокой твердости, прочность и модуль упругости которой увеличивается с повышением температуры, плоско адсорбируются молекулы жирных (карбоновых) кислот и солей сульфатного мыла, и комплементарно распределяются молекулы минеральных или растительных масел, образуя полимолекулярные слои. Образование их обеспечивает повышенные стойкости долотной стали к усталостному износу.

Существенным преимуществом заявляемого многофункционального реагента является регулируемое снижение коэффициента поверхностного натяжения фильтрата буровых растворов (табл. 9), что благоприятно влияет на процессы вскрытия продуктивных интервалов и в значительной мере уменьшает энергоемкость процесса разрушения горных пород за счет снижения их твердости.

Анализ известных технических решений показал, что в науке и технике нет объекта, аналогичного по заявляемой совокупности признаков и преимуществ, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критериям “новизна” и “изобретательский уровень”.

Анализ результатов экспериментов (таблицы 7-9) показывает, что индивидуальные, разрозненные компоненты состава реагента и отдельные их сочетания не могут обеспечить такие технологические свойства бурового раствора, которые придает ему заявляемый многофункциональный реагент.

Указанные выше технические результаты обеспечиваются совместным применением впервые в качестве реагента, предотвращающего техногенное аэрирование и синергетически интенсифицирующего противоизносную, смазочную и противоприхватную активность, масляно-графитовых смесей в сочетании с сульфатным мылом и эфирами целлюлозы и крахмала.

Изобретение обладает изобретательским уровнем, поскольку возможность снижения техногенного аэрирования буровых растворов путем применения масляно-графитовых смесей и придания нового комплекса технологических свойств заявляемым новым качественным и количественным составам многофункционального реагента для специалиста явным образом не следует из уровня техники.

Характерные свойства данного многофункционального реагента для обработки буровых растворов не вытекают из свойств компонентов, а проявляются только в их совокупности в указанных соотношениях. Это также свидетельствует о соответствии заявляемого решения критериям “новизна” и “изобретательский уровень”.

Сопоставительный анализ позволяет сделать вывод, что заявляемый многофункциональный реагент для обработки буровых растворов отличается от известного прототипа введением новых компонентов, а именно минеральных или растительных масел и графита.

Практическая применимость нового способа обработки бурового раствора подтверждена при промышленном применении заявляемого реагента на бурящихся скважинах.

Первичная обработка бурового раствора (для улучшения смазочных свойств и качества глинистой корки) производится при добавке реагента в количестве 5-10 кг на 1 м³ раствора, находящегося в циркуляционной системе и скважине, в виде смеси с глинопорошком, для чего:

- в глиномешалку, на 2/3 заполненную водой, загружается 250-500 кг заявляемого реагента и перемешивается до растворения (подогрев воды до 20-30°С ускоряет растворение);

- добавляется глинопорошок в количестве 150-200 кг, и смесь вновь перемешивается в течение 0,5 ч.

Глинистая суспензия с реагентом вводится в буровой раствор в течение цикла.

Периодичность введения и концентрация многофункционального реагента при необходимости повторных обработок определяется в процессе бурения. Поддержание концентрации заявляемого реагента осуществляется добавками его в количестве 50-80 кг на 4 м³ бурового раствора на основе бентонитовых глин, приготавливаемого для пополнения циркулирующего объема.

Для большего повышения устойчивости стенок скважин, усиления противофильтрационных и смазывающих свойств содержание заявленного многофункционального реагента для обработки буровых растворов повышают до 1,5-2,5% от массы раствора. В зависимости от состава реальных буровых растворов введение заявленного реагента может уменьшать вязкость и СНС (в растворах средней и большой плотности) или увеличивать эти параметры. Перед работой на скважинах необходимо проверить технологическое воздействие введения реагента в пробы реальных буровых растворов в лабораторных условиях. При необходимости разжижения раствора желательно использовать реагент ГКЖ-10 (11). Заявляемый многофункциональный реагент для обработки буровых растворов совместим со всеми компонентами буровых растворов на водной основе.

Эффективность способа обработки буровых растворов обусловливается синергетическим взаимодействием компонентов реагента (группы примеров №№4, 5, 6; 28, 29, 30; 52, 53, 54 по табл. 7).

Заявляемый многофункциональный реагент для обработки буровых растворов предназначен для решения следующих задач:

уменьшения толщины и повышения плотности глинистой корки, существенного снижения фильтрации бурового раствора в прискважинную толщу породы и ингибирования разупрочнения породы;

- замедления диспергации пород в скважине;

- существенного снижения адгезионных свойств фильтрационной корки и коэффициента трения на поверхности корки, породы, внутренней поверхности обсадных труб;

- оптимизации реологических характеристик бурового раствора и улучшения условий выноса шлама;

- улучшения качества вскрытия пород-коллекторов, в том числе облегчения восстановления их проницаемости после бурения.

Реагент сохраняет свои свойства при температуре в скважине до 150-180°С.

Вследствие многофункциональности предлагаемого реагента реально обеспечение им комплекса улучшающих характеристик бурового раствора при проведении химической обработки и снижение ее стоимости.

Ходатайствуем о присвоении заявляемому многофункциональному реагенту для обработки глинистых буровых растворов наименования “Кемфор-МСМГ”.

Источники информации

1. Эпштейн Е.Ф., Титаренко Н.К., Давиденков А.Н. и др. “Сульфатное мыло, как смазывающая добавка к буровым растворам”. В кн. “Вопросы глубокого бурения на нефть и газ”. Львов: УкрНИГРИ, вып. 4, 1974, с. 74-76 (аналог).

2. Исследование влияния химических реагентов на смазочные свойства буровых растворов /В.Д.Тур, Л.М.Софрыгина, Н.Б.Пономарева, Н.А.Шаврина. В сб. трудов ВНИИГНИ “Технология бурения и испытания поисковых и разведочных скважин”, вып. 247, М., 1983, с. 122-131 (аналог).

3. Применение отходов целлюлозно-бумажной промышленности для бурения скважин на Крайнем Севере /Т.А.Мотылева, Н.Г.Кашкаров, Ю.Т.Ивченко, М.М.Шаляпин, Н.Н.Верховская М.: ВНИИЭгазпром, 1989, 26 с (обз. информ. Сер. Бурение газовых и газоконденсатных скважин, вып. 5) (аналог).

4. Авторское свидетельство СССР №1775455, МПК С 09 К 7/02, опубл. 15.11.92 (аналог).

5. Авторское свидетельство СССР №1792959, МПК С 09 К 7/02, опубл. 07.02.93 (аналог).

6. Авторское свидетельство СССР №1693018, МПК С 09 К 7/06, опубл. 23.11.91 (аналог).

7. Авторское свидетельство СССР №1542950, МПК С 09 К 7/02, опубл. 15.02.90 (аналог).

8. Патент РФ №2123023, МПК С 09 К 7/02 (МПК С 09 К 7/02), опубл. 10.12.98 (аналог).

9. Патент РФ №2142978, МПК С 09 К 7/02, опубл. 20.12.99 (аналог).

10. Патент РФ №2013434, МПК С 09 К 7/02, опубл. 30.05.94 (аналог).

11. Патент РФ №2118648, МПК С 09 К 7/02, опубл. 10.09.98 (аналог).

12. Авторское свидетельство СССР №883138, МПК С 09 К 7/02, опубл. 23.11.81 (аналог).

13. Авторское свидетельство СССР №1669966, МПК С 09 К 7/02, опубл. 15.08.91 (аналог).

14. Авторское свидетельство СССР №870427, МПК С 09 К 7/02, опубл. 07.10.81 (аналог).

15. Патент РФ №2130475, МПК С 09 К 7/02, опубл. 20.05.99 (аналог).

16. Патент РФ №2076132, МПК С 09 К 7/06, опубл. 27.03.97 (аналог).

17. Авторское свидетельство СССР №1808862, МПК С 09 К 7/06, опубл. 15.04.93 (аналог).

18. Авторское свидетельство СССР №715616, МПК С 10 М 1/06, опубл. 03.04.78 (аналог).

19. Авторское свидетельство СССР №1196369, МПК С 09 К 7/02, опубл. 07.12.85 (аналог).

20. Авторское свидетельство СССР №1002344, МПК С 09 К 7/02, опубл. 07.03.83 (аналог).

21. Авторское свидетельство СССР №1004440, МПК С 09 К 7/02, опубл. 19.12.80 (аналог).

22. Авторское свидетельство СССР №1208062, МПК С 09 К 7/02, опубл. 30.01.86 (аналог).

23. Патент РФ №2187530, МПК С 09 К 7/02, опубл. 20.08.2002, бюл. №23 (прототип).