На правах рукописи РАМАЗАНОВ АРТУР РАМАЗАНОВИЧ РАЗРАБОТКА ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННОЙ ИНВЕРТНО-
advertisement
На правах рукописи РАМАЗАНОВ АРТУР РАМАЗАНОВИЧ РАЗРАБОТКА ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННОЙ ИНВЕРТНОМИЦЕЛЛЯРНОЙ ДИСПЕРСИИ ДЛЯ ЗАКАНЧИВАНИЯ СКВАЖИН 25.00.15 - Технология бурения и освоения скважин АВТОР Е Ф Е Р АТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Уфа - 2012 2 Работа выполнена в открытом акционерном обществе «Научнопроизводственная фирма «Геофизика» (ОАО НПФ « Геофизика») Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Агзамов Фарит Акрамович Официальные оппоненты: Лукманов Рауф Рахимович – доктор технических наук, профессор, ОАО «Научно-производственная фирма «Геофизика», лаборатория акустических методов исследования скважин, ведущий научный сотрудник Четвертнева Ирина Амировна – кандидат технических наук, ООО «АНЕГАбурение», сектор промывочных жидкостей, руководитель сектора Ведущая организация – Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет» (г.Тюмень) Защита состоится «25» мая 2012 года в 14-00ч. на заседании диссертационного совета Д 520.020.01 при открытом акционерном обществе «Научно-производственная фирма «Геофизика» (ОАО НПФ «Геофизика») по адресу: 450005, г.Уфа, ул. 8-ое Марта,12 С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО НПФ «Геофизика». Автореферат разослан 23 апреля 2012 года Ученый секретарь диссертационного совета Хисаева Дилара Ахатовна 3 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы С точки зрения качества бурения и вскрытия продуктивных пластов предпочтительными промывочными системами являются растворы на углеводородной основе (РУО), однако на практике они применяются в исключительных случаях, когда нельзя обойтись раствором на водной основе (РВО). Это обусловлено, прежде всего, высокой стоимостью РУО, их пожароопасностью, сложностью приготовления, токсичностью их самих и отходов бурения. В этой связи, актуальна задача разработки РУО, обладающих качеством, характерным для данной группы растворов, но свободных от перечисленных недостатков. Совершенствование РУО в плане повышения экологичности и обеспечения промышленной безопасности достигается использованием синтетических или высокоочищенных минеральных углеводородных основ, доведенных на сегодня до уровня, позволяющего не вывозить получаемый буровой шлам на полигон, а применять его в смеси с почвой для рекультивации буровой площадки без предварительной обработки. Однако стоимость РУО на таких основах на порядок превосходит стоимость ингибирующих РВО. Значительные потенциальные возможности удешевления РУО на синтетической основе заложены в использовании инвертных эмульсий и управлении содержанием в них углеводородного компонента. При содержании воды в обратной эмульсии более 85 % стоимость РУО даже на дорогой синтетической основе сравнивается со стоимостью РВО, однако таких систем, применимых в качестве буровых растворов, до сих пор не разработано. Это связано с необходимостью решения научной проблемы обеспечения текучести и стабильности эмульсии при концентрациях дисперсной фазы намного превышающих критическую, при которой начинается взаимное перекрытие ее глобул. В этом отношении перспективны технологии, основанные на самоэмульгирующихся инвертномицеллярных дисперсиях, которые получили развитие в данной работе. Цель работы – разработать и внедрить экологически чистую высококонцентрированную инвертно-мицеллярную дисперсию для повышения качества заканчивания скважин. Объект исследования – эмульсионные технологические жидкости с неполярной внешней фазой, содержащие менее 12% углеводорода, для заканчивания скважин. Предмет исследования – свойства высококонцентрированных инвертномицеллярных дисперсий для заканчивания скважин. Основные задачи исследования 1. Обосновать методическое обеспечение тестирования свойств и оценки качества высококонцентрированных инвертно-мицеллярных дисперсий, применяемых для заканчивания скважин. 4 2. Обосновать компонентный состав инвертно-мицеллярной дисперсии с позиций обеспечения ее экологической и производственной безопасности. 3. Проанализировать методы получения и свойства мицеллярных дисперсий с пониженным содержанием углеводорода, обосновать пути их совершенствования. 4. Исследовать свойства инвертно-мицеллярных дисперсий на основе мицеллообразователя СУПРАМОЛ-1 и обосновать рациональные области применения ИМД в процессах бурения и заканчивания скважин. 5. Разработать рецептуры высококонцентрированных инвертно-мицеллярных дисперсий с неполярной внешней фазой, содержащих менее 12% углеводорода, и провести их промысловые испытания. Методы исследования Поставленные задачи решались путем тестирования технологических свойств инвертно-мицеллярных дисперсий электрическими методами, методами реометрии, а также методами исследования фильтратоотдачи по стандарту API. При воспроизведении условий циркуляции в скважине применялась гидродинамическая симуляция в пакете конечноэлементного анализа Comsol Multiphysics. Научная новизна 1. Обоснован и предложен обобщенный показатель оценки стабильности эмульсий, позволяющий повысить достоверность результатов и прогнозировать показатель фильтрации. 2. Доказано кратное снижение значений реологических параметров и повышение стабильности инвертно-мицеллярных дисперсий на основе полиэфирного мицеллообразователя СУПРАМОЛ-1. 3. Экспериментально установлено, что инвертно-мицеллярные промывочные жидкости на основе мицеллообразователя СУПРАМОЛ-1 обладают критической скоростью сдвига, превышение которой приводит к увеличению эффективной вязкости при постоянной во времени и нелинейно зависящей от скорости сдвига скорости динамического загущения. Основные защищаемые научные положения 1. Обоснование строения и механизма образования ИМД на основе предложенного мицеллообразователя. 2. Методики оценки электростабильности, моделирования циркуляции и определения реологических параметров разработанных инвертномицеллярных дисперсий. 3. Обоснование состава и результаты исследований свойств разработанных инвертно-мицеллярных дисперсий. 4. Результаты промысловых испытаний разработок. 5 Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций Установленные экспериментально характерные особенности и закономерности изменения свойств инвертно-мицеллярных дисперсий согласуются с известными теоретическими представлениями о строении мицелл, кинетике свойств мицеллярных растворов, агрегировании ПАВ в различных средах. Технологические свойства инвертно-мицеллярных дисперсий изучались с применением современных методов тестирования буровых растворов и подтверждены официальным заключением аккредитованной лаборатории строительства скважин ООО «БашНИПИнефть». Практическая значимость и реализация результатов работы 1. Разработанная экологически и пожаробезопасная инвертно-мицеллярная дисперсия ИМД-БР при использовании парафиновой основы в 4,1 раза дешевле зарубежной инвертно-эмульсионной системы «PARALAND» и в 3,5 раза дешевле ее аналога на отечественных заменителях (ЭРУО) при аналогичном качестве. 2. Большая продолжительность стадии нуклеации позволяет полностью заменить скважинную жидкость на ИМД-БР до момента обращения фаз, что устраняет необходимость применения углеводородных буферных разделителей и позволяет обойтись без емкости для приготовления раствора, смешивая минерализованную воду с углеводородным раствором мицеллообразователя непосредственно на входе в скважину. 3. Разработанный мицеллообразователь позволяет при в 2,3 раза меньшем расходе получать термодинамически стабильные инвертно-мицеллярные дисперсии, обладающие в сравнении с аналогами с идентичным водосодержанием в 7,7 раз меньшей фильтрацией и в 1,5 раза большей термостойкостью при снижении значений реологических параметров от 2 до 32 раз. 4. Полученная в промысловых условиях ИМД-БР с объемным соотношением углеводород: вода 11:89 обеспечила успешное сверление перфорационных каналов на глубине 3743 м, тогда как базовую инвертную эмульсию на основе нефтяного эмульгатора Девон-4В с величиной этого соотношения 27:73 не удалось закачать в скважину из-за высоких гидравлических сопротивлений. 5. Применение разработанной ИМД-БР при вторичном вскрытии трещиноватых известняков Афонинского горизонта в скважине №158 Архангеловского участка Дачно-Репинского месторождения в сравнении с использованием пластовой воды позволило уменьшить поглощение перфорационной жидкости при кратно большей депрессии в 7,2 раза, обеспечив ускорение освоения скважины в 19 раз и прирост дебита нефти в 2,3 раза. Личный вклад автора Лично автором обобщен теоретический и экспериментальный материал, относящийся к получению, оценке качества и использованию технологических жидкостей с неполярной внешней фазой, выполнена значительная часть 6 опытных работ по исследованию их свойств, организовано производство СУПРАМОЛ-1, собран и проанализирован промысловый материал. Апробация работы Результаты работы докладывались на следующих международных научнопрактических конференциях: II Международной научно-практической конференции «Повышение качества строительства скважин» (Уфа, 2010); II Международной конференции молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники» (Уфа, 2010); Международной научно-практической конференции «Нефтегазовый комплекс в условиях индустриально-инновационного развития Казахстана», посвященной 20-летию независимости Республики Казахстан (Атырау, 2011). Публикации По содержанию работы опубликовано 10 печатных работ, две из которых в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ. Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав и основных выводов, содержит 204 страницы машинописного текста, в том числе 12 таблиц, 81 рисунок, список использованных источников из 104 наименований и 2 приложения. Автор считает своим долгом выразить особую признательность научному руководителю профессору Ф.А. Агзамову, искреннюю благодарность кандидату технических наук А.Я. Соловьеву. 7 Стоимость тонны инвертной эмульсии, руб СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении показана перспективность технологических жидкостей с неполярной внешней фазой, выделены свойственные им проблемы, препятствующие широкому использованию в заканчивании скважин, обозначен путь преодоления указанных проблем, а именно, переход от лиофобных инвертно-эмульсионных растворов (ИЭР) к лиофильным инвертномицеллярным дисперсиям (ИМД) с пониженным содержанием углеводородной основы, указаны характерные особенности поведения свойств ИМД, как представителей SMART-гелей. На этой основе, применительно к использованию ИМД в качестве бурового раствора, жидкости перфорации, сформулированы цель и задачи исследований. В первой главе проанализированы существующие разновидности ИЭР, выделены наиболее перспективные буровые растворы на основе углеводородов группы LTMBF (Low Toxicity Mineral Oil Based Fluids), для которой подробно рассмотрены экономические, технологические, экологические аспекты применения, и даны рекомендации в отношении используемых углеводородов, а также солей для минерализации водной фазы. В частности, на основе исследований воздействия различных углеводородов на экосистему почв для получения экологически безопасной ИЭР рекомендовано использование нпарафинов широкой фракции С12-С17 в сочетании с минимально необходимыми количествами хлоридов щелочных металлов или их смесей с аналогичными ацетатами и нитратами. Выполнен технико-экономический анализ, показавший, что путем изменения концентрации эмульгатора в технологически обоснованных пределах невозможно снизить стоимость ИЭР на основе нпарафинов до уровня, сопоставимого со стоимостью ингибирующих промывочных растворов на водной основе (рис.1). 30000 Концентрация эмульгатора, % 3 25000 1 5 20000 15000 10000 Стоимость хлор-калиевого биополимерного раствора 5000 Диапазон стоимости ингибирующих растворов на водной основе Стоимость формиат-полимерного раствора 0 5 10 Рациональное содержание углеводородной основы НТЖ 15 20 25 30 Содержание углеводорода, % мас. Рис. 1. Влияние концентрации эмульгатора и содержания углеводородной основы на стоимость инвертной эмульсии 35 8 Требуемое содержание углеводорода обеспечивается при содержании воды выше 88%, что намного превышает пороговое значение концентрации дисперсной фазы 72%, отделяющее концентрированные эмульсии, применимые в качестве буровых растворов, от высококонцентрированных, которые не могут использоваться с данной целью вследствие сильного структурирования. Поэтому реализация необходимого содержания углеводорода в составе ИЭР требует принципиально новых решений в области получения и стабилизации эмульсионных дисперсных систем. Анализ существующих инвертно-эмульсионных дисперсных систем с пониженным содержанием углеводородного компонента показал, что они являются инвертно-мицеллярными дисперсиями, возникающими за счет образования хелатных комплексов конформационно-жестких мультидентантных алкилполиаминных рецепторов с анионными субстратами. Изучение физикохимических предпосылок образования таких комплексов, а также мицелл и мицеллярных растворов на их основе позволило предположить перспективность перехода к комплексам мультидентантных конформационно-подвижных полиэфирных рецепторов с жесткими координационно ненасыщенными субстратами, например, катионами щелочных металлов. Прогнозируемые последствия этого перехода – возрастание эластичности и прочности оболочек мицелл при росте числа агрегации, что отражается на свойствах мицеллярной дисперсии в виде снижения фильтрации, увеличения электростабильности, термостойкости, времени быстрой релаксации и продолжительности самоэмульгирования. Практическая реализация предлагаемого перехода обеспечивается использованием полиэфирного мицеллообразователя, к молекулярной структуре которого предъявлены следующие требования: молекула должна иметь плоскую дискотическую форму, при этом полиэфирные цепи должны располагаться радиально в симметричном окружении алкильных хвостов; боковые полиэфирные цепи, взаимодействующие с катионами, должны присутствовать в молекуле в количестве не менее двух и отделяться друг от друга акцепторами водородных связей, связывающими анионы; строение молекулы должно обеспечивать образование сэндвичевых комплексов с катионами в виде 2-D супрамолекулярного полимера. Для получения мицеллообразователя требуемого строения предложено использовать «стратегию шестичленного хозяина», основанную на известной способности высших жирных спиртов ассоциироваться в циклические супрамолекулярные структуры при посредстве концевых водородных связей. Вместо жирных спиртов в качестве тектонов в этих структурах обосновано использование алкиловых моноэфиров олигоэтиленгликолей, для которых ассоциация указанного типа не характерна из-за взаимного отталкивания донорных атомов кислорода. В качестве меры активного противодействия взаимному отталкиванию выбранных тектонов предложена протонная поляризация с туннельным переходом, возникающая при взаимодействии алкиловых моноэфиров олигоэтиленгликолей с ионом Н9О4+, образующимся при добавлении воды. Данная стратегия была успешно реализована, что 9 подтверждено данными ЯМР 13С и 2Н, обработанных с учетом квадрупольного расщепления сигналов протонов тяжелой воды при образовании анизотропных жидкокристаллических фаз. Молекулярная структура синтезированного продукта, получившего наименование СУПРАМОЛ и идентифицированного по ЯМР-спектрам как нематический тип дискотической мезофазы, представлена на рис.2(а). а) б) молекула СУПРАМОЛ катион калия анион хлора Рис. 2. Пространственная модель супермолекулы СУПРАМОЛ (а) и схема самосборки инвертных мицелл ИМД (б) 10 С позиций повышения устойчивости хелатных комплексов для образования супрамолекулярного полимера на основе мицеллообразователя СУПРАМОЛ обосновано применение фторидов или хлоридов калия в качестве субстрата. Предполагаемая схема процесса самосборки супрамолекулярного полимера на межфазной поверхности, приводящей к образованию ИМД, показана на рис.2(б). Процесс самосборки осуществляется в две термодинамически обусловленных стадии. Сначала происходит образование зародышей (нуклеация), а затем рост мицелл (стадия распространения). На первой стадии, продолжительность которой лимитируется внешними условиями и сильно возрастает при перемешивании, технологическая жидкость представляет собой подвижную прямую эмульсию, что позволяет получать значительные объемы однородной дисперсии без применения специального смесительного оборудования, в том числе непосредственно в стволе скважины. Вторая стадия начинается с обращения фаз со скачкообразным изменением всех технологических параметров и сопровождается последующим их плавным изменением с выходом на определенный квазиравновесный уровень. В соответствии с классической теорией нуклеации, дающей кинетическое описание мицеллярных растворов, конечная точка процесса самосборки может быть выделена только для определенных внешних условий, изменение которых запускает параллельно идущие процессы быстрой и медленной релаксации, сопровождающиеся перестройкой мицелл. Быстрая релаксация сопровождается перераспределением агрегатов по числам агрегации при неизменном числе мицелл, а в ходе медленной, наоборот, устанавливается значение последнего. И то и другое оказывает влияние на технологические свойства ИМД, которые благодаря этому меняются во времени. Характерные времена быстрой и медленной релаксации могут отличаться друг от друга на несколько порядков, поэтому колебания технологических свойств ИМД должны наблюдаться в двух различных временных масштабах. Во второй главе представлено разработанное методическое обеспечение оценки свойств ИМД, включающее методики обработки и интерпретации вольтамперных характеристик, исследований реологических свойств, гидравлических расчетов, моделирования циркуляции и показателя фильтрации. При разработке методика обработки и интерпретации вольт-амперных характеристик ИМД исходили из того, что мицеллообразователь не только формирует внешние оболочки мицелл, но и образует мезофазы в их ядрах, а также способен в виде мономеров растворяться в непрерывной фазе вместе с водой и солями, вызывая тем самым изменения напряжения пробоя, не связанные с фактической прочностью межфазных слоев. Поэтому для объективной оценки агрегативной стабильности ИМД необходимы как частные вспомогательные показатели, обеспечивающие оценку данных эффектов, так и комплексные показатели прочности межфазных слоев, свободные от их влияния. Выполненный анализ методов и приборов электрической оценки агрегативной устойчивости инвертных эмульсий показал, что получение соответствующих показателей возможно на основе вольт-амперных характеристик, снимаемых тестером электростабильности ТЭЭ-01, реализующим разрушение эмульсии в 11 постоянном электрическом поле. В отличие от стандартной методики обработки вольт-амперной характеристики, положенной в основу известного прибора ИГЭР-1, которая предусматривает получение только напряжения пробоя на основе соответствующего участка характеристики, предлагаемая методика включает последовательную обработку четырех ее участков, показанных на рис.3, а именно: 1) участок отсутствия проводимости; 2) интервал пленочной проводимости; 3) интервал пробоя; 4) интервал объемной проводимости дисперсной фазы. Рис. 3. Схема обработки вольт-амперной характеристики ИМД Проводимость ИМД на втором участке обусловлена закомплексованными ионами, подвижность которых ограничена их связями с супермолекулами. Поэтому, характеризующее дисперсионную среду, электрическое сопротивление на этом участке сохраняется постоянным на всем его протяжении и может быть рассчитано по закону Ома: R0 U ПП . После разрушения мицелл на участке I ПП пробоя, образуется сплошной канал проводимости, обуславливающий возникновение второго наклонно-прямолинейного участка, что позволяет аналогичным образом рассчитать электрическое сопротивление дисперсной фазы: RП U ОП . С использованием геометрических параметров измерительного I ОП зонда, величины электрических сопротивлений преобразуются в более универсальные показатели удельных электрических сопротивлений, относительно независимые от конструкции прибора и, вследствие этого, характеризующие только исследуемые среды: П 26,18 RП , 0 26,18 R0 . 12 Первый показатель используется для оценки количества мицеллообразователя, растворенного в дисперсионной фазе ИМД, и ее диэлектрической проницаемости, обратно пропорциональной данному показателю. Второй показатель, позволяет идентифицировать тип мезофазы в ядрах мицелл, используя признак возрастания удельного электрического сопротивления с увеличением степени изотропности жидкокристаллической структуры. С учетом большого шага измерений ТЭЭ-01 по напряжению, для повышения точности расчетов интервалы 3 и 4 целесообразно объединять, тогда показатели П ,и 0 , аналогично рассчитываются на основе следующих параметров, непосредственно снимаемых с вольт-амперной характеристики: напряжения начала проводимости – U 0 ; напряжения начала пробоя – U ПР ; напряжения конца пробоя, определяемого при токе 10 мА – U10 ; I ПР I ПП – ток начала пробоя. В основу метода определения электростабильности ИЭР в постоянном электрическом поле положена следующая зависимость, известная из работ Г.М. Панченкова, связывающая силу, действующую на глобулы воды – F с диэлектрической проницаемостью среды – , поляризуемостью глобул – Re и напряженностью внешнего электрического поля – E0 : F Re E0 grad E0 . Из нее следует, что при неизменной прочности межфазных слоев и постоянной Re напряжение пробоя меняется обратно пропорционально и прямо пропорционально 0 . Тогда критическая сила, вызывающая коалесценцию глобул дисперсной фазы – FКР* , определяется в зависимости от напряжения пробоя по уравнению: FКР* k p U ПР 0 , где k p – коэффициент пропорциональности, содержащий Re , а также неизвестные переводные коэффициенты для и E0 . Учитывая эквивалентность дестабилизирующего влияния на ИЭР электрического поля и температуры, в момент термического разложения, когда текущая температура – T(i ) равна термостойкости системы – * Tпред , справедливо равенство FКР p – коэффициент, связывающий p Tпред , где силу с температурой, подлежащий включению в величину k p , что дает Tпред k "p U ПР(Tп ред ) 0 (T п ред ) . Комплексный параметр k "p kp p , входящий в полученное уравнение, по сути, характеризует прочность межфазных слоев и назван показателем стабильности эмульсий – ПСЭ. Исследования показали, что для конформационно-жестких мицеллообразователей ПСЭ сохраняет свое значение постоянным вне зависимости от температуры, т.е. нагрев не меняет значение * . Это доказывает неаддитивность термической и электрической FКР дестабилизации ИЭР и потерю агрегативной устойчивости скачком, а не путем постепенного разупрочнения межфазных слоев, что для любой температуры делает справедливым следующее уравнение: T(i ) ПСЭ U ПР(i ) 0( i ) . Отсюда следует причина снижения напряжения пробоя с температурой – это растворение мицеллообразователя в дисперсионной фазе, что позволяет при известном ПСЭ 13 прогнозировать термостойкость ИЭР на основе модели 0 =f(Т). Соответственно, если значения ПСЭ, рассчитанные для различных температур по уравнению ПСЭ T(i ) 0(i ) U ПР(i ) , отличаются, это принимается за свидетельство перестройки межфазных слоев, отражающейся на их стабильности. Уменьшение ПСЭ говорит о повышении агрегативной устойчивости, повышение – о ее снижении. Физический смысл ПСЭ позволил предположить существование его взаимосвязи с показателем фильтрации, которая была экспериментально подтверждена в следующем виде: ПФ f p Pf ПСЭ 0 107 fp . Здесь N N fp – эмпирический коэффициент, зависящий от объемной концентрации углеводорода и равный 11,08 для ее значения 10%, N – кратность изменения эффективной вязкости в результате динамического загущения при деформации со сверхкритическими скоростями. Последний параметр определяется по результатам исследования реологических свойств ИМД, в соответствии со следующей методикой. Исследование реологических свойств ИМД предложено выполнять с учетом обнаруженной особенности ее течения, состоящей в устойчивом возрастании эффективной вязкости во времени при превышении определенной скорости сдвига – кр, названной критической. Со временем эффективная вязкость ИМД стабилизируется на определенном уровне, но при снижении скорости сдвига ниже критической постепенно возвращается к прежним значениям. Отмеченный реодинамический эффект вызван изменением степени упорядоченности структуры ИМД под влиянием перемешивания. По этому признаку предложено выделять два типа структур: упорядоченную и разупорядоченную, показанные на рис.4. Указанным типам структур соответствуют стационарные состояния системы, характеризующиеся степенными реологическими моделями, параметры которых не зависят от времени и могут определяться общепринятым способом по данным ротационной реометрии, показанным на рисунке 4. Реологическая модель, соответствующая состоянию упорядоченной структуры, строится по экспериментальным точкам со скоростями сдвига меньше критической, полученным при прямом ходе измерений, а для расчета реологической модели, соответствующей состоянию разупорядоченной структуры, привлекаются экспериментальные точки со скоростями сдвига больше критической, полученные при обратном ходе измерений. Состояние динамического перехода, предложено характеризовать скоростью загущения, постоянной для выбранной скорости сдвига, а также кратностью изменения эффективной вязкости при смене структур, которая может быть рассчитана как отношение показателей консистенции реологических моделей, соответствующих стационарным состояниям ИМД. 14 упорядоченная структура разупорядоченная структура направление потока направление потока рост скорости течения Состояние упорядочен -ной структуры Состояние разупорядоченной структуры Состояние динамического перехода кр Рис. 4. Типы структур и результаты реометрии ИМД При циркуляции в скважине фактическая скорость сдвига на одних участках превышает критическую, на других меньше нее, поэтому на большей части ствола ИМД находится в состоянии динамического перехода, когда действующая реологическая модель находится между реологическими моделями стационарных состояний. Вычислять текущие параметры реологической модели для конкретного участка циркуляционной системы предложено на основе показателя относительного загущения – д , рассчитываемого по фактическому значению эффективной вязкости – ф и значениям эффективных вязкостей, определенных по моделям стационарных состояний – в и н : д ф н . Поскольку экспериментально установлено, что в н реологические модели стационарных состояний отличаются, главным образом, показателями консистенции при незначительной разнице в показателях нелинейности, принято допущение о пропорциональном изменении эффективной вязкости и показателя консистенции. Тогда показатель консистенции для текущей реологической модели – mф определяется решением mн – показатель следующей пропорции: mф mн mв mн д , где консистенции реологической модели, соответствующей упорядоченной mв структуре, – показатель консистенции реологической модели, соответствующей разупорядоченной структуре. Показатель нелинейности при 15 таком подходе определяется решением уравнения степенной реологической модели при подстановке в него mф и ф . Основой гидравлических расчетов при использовании предлагаемой методики являются фактические значения эффективной вязкости ИМД, принимаемые в соответствии с результатами моделирования циркуляции для различных контрольных сечений. Соответственно характеру поведения реологических свойств ИМД, при моделировании циркуляции должны воспроизводиться условия и продолжительность течения на каждом участке скважины. С этой целью предложено использовать ротационный вискозиметр в рабочем зазоре которого поочередно на нужное время создаются средние объемные скорости сдвига, равные фактически действующим на участках воспроизводимой скважины. Для реализации методики циркуляции методом конечных элементов с использованием обще-тензорной формулировки обобщенного уравнения Навье-Стокса были рассчитаны средние объемные скорости сдвига на различных участках скважины глубиной 2776 м, обсаженной на 720 м 244,5 мм кондуктором, с диаметром открытого ствола 220 мм и бурильной колонны из труб ЛБТ1479, ПН1279, УБТ17857,2, что позволило разработать для нее программу реометрии, показанную в табл.1. Таблица 1 – Программа реометрии ИМД для расхода 0,0283 м3/с Участок скважины Режим измерений Создаваемая скорость сдвига, с-1 Требуемая скорость сдвига, с-1 Относительная погрешность воспроизведения скорости, % Продолжительность работы на данном режиме, с Средневзвешенная по времени погрешность воспроизведения скорости, % Трубное пространство АБТ СБТ 7А 9Б 11А 12А 81 122 729 78 130 3.846 -6.54 1103 115 Кольцевое пространство УБТ Долото УБТ СБТ АБТ АБТ 9А 6А 7А 7А 1312 243 48.6 81 81 911 25830 252 58 89 78 -20 - 4 13 -3.57 -16.2 -8.99 3.846 19 312 1240 575 -3.16 В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследований свойств ИМД. Разработанные составы на базе мицеллообразователей СУПРАМОЛ, далее обозначаемые ИМД-X, сопоставлены с базовыми ИМД, на основе промышленно выпускаемых мицеллообразователей «Richmol Emulgator 700», «Девон-4В», «Нефтенол НЗт», «Эмультал». Все образцы ИМД готовились с использованием хлористого калия при объемном соотношении углеводород-вода 91:9. Технология приготовления ИМД-1 и ИМД-2 включала растворение СУПРАМОЛ-1 в воде в количестве 3% мас., добавление в полученный раствор инициаторов 4% хлористого калия и 0,75% ГКЖ-10, а затем смешение с 8% углеводородной основы, в качестве которой в ИМД-1 использовалось дизельное топливо, а в ИМД-2 – широкая фракция очищенного нефтяного парафина I-го вида по ТУ 0255-052-04689375-2000 с общим 16 содержанием ароматики 0,006 %. Образец ИМД-3 – это универсальная технологическая жидкость без твердой фазы для работы с продуктивными пластами, получаемая путем растворения в воде 5% СУПРАМОЛ-3 (раствор объемных клатратов на основе шестичленных циклов олигоэтиленгликолей и их алкиловых моноэфиров в полигликоле), 5% хлористого калия, от 1 до 3% ГКЖ11Н, а затем введение в полученную прямую эмульсию 8% раствора СУПРАМОЛ-2 (углеводородный раствор дискотика на базе циклических полиассоциатов алкиловых моноэфиров олигоэтиленгликолей с высшими жирными спиртами). Составы базовых ИМД отражены на рис.5. а) б) 94 100 90 180 180 Значение параметра 145 Значение параметра 160 140 81 120 105 92 100 73 80 82 94 38 84 60 87 40 64 20 2 Образец эмульсии 3 115 Значение параметра 100 87 115 106 80 29 40 13 34 21 17 38 38 5 6 16 13 0 3 4 5 6 17 16 4 8 6 2 П(Э), % U(10), В U(П), В Время, мин 7 № Образца – Основа – Эмульгатор: 1 – ИМД-1 2 – ИМД-2 3 – ИМД-3 4 – 8% дизельного топлива – 7,62% Нефтенол-НЗ 5 – 8% дизельного топлива – 3% ДЕВОН-4В 6 – 8% дизельного топлива – 2% Нефтенол-НЗ 7 – 8% дизельного топлива – 2% RICHMOL-Emulgator 700 8 – 8% дизельного топлива – 2% Эмультал 137 120 64 50 Образец эмульсии в) 123 60 U(П), В 1 140 70 30 Время, мин 20 U(10), В 10 П(Э), % 0 81 80 120 60 40 68 57 40 57 26 20 0 20 1 2 3 36 9.6 19 4 Образец эмульсии 5 6 7 U(10), В U(П), В 8 а) характеристики самоэмульгирования образцов ИМД-Х б) характеристики самоэмульгирования базовых ИМД в) электростабильность эмульсий после механического перемешивания Рис. 5. Результаты исследований технологичности приготовления инвертномицеллярных дисперсий Результаты исследований, приведенные на рис.5, показывают, что эффективность получения ИМД методом самоэмульгирования, за показатель 17 которого – ПЭ принималось отношение напряжений конца пробоя, определенных после самоэмульгирования и последующего принудительного механического диспергирования миксером в течение 1 минуты при частоте вращения 5000 мин-1, у образцов ИМД-Х кратно выше. При этом в сравнении с базовыми ИМД, образцы ИМД-Х обеспечивают в среднем в 14,8 раза более высокое напряжение пробоя после самоэмульгирования, кроме того, для образования обратной эмульсии требуется в 15,8 раз больше времени. Таким образом, ИМД-Х более технологичны. Механическое перемешивание базовых ИМД, даже кратковременное, приводит к их загеливанию и необратимой потере текучести, однако фильтратоотдача при этом, как показано на рис.6, остается настолько высокой, что этот параметр может считаться критическим при оценке качества образцов. а) сравнение образцов, не содержащих твердой фазы б) фильтратоотдача ИМД-Х, обработанных 1% гидрофобизированного мела (ГМ) в) динамика фильтрации образца ИМД-1 до и после обработки ГМ г) влияние концентрации ГМ на фильтратоотдачу образца ИМД-1 Рис. 6. Результаты исследований фильтратоотдачи ИМД Таким образом, для сопоставления с ИМД-Х выбран наилучший базовый состав №4 на основе 7,62% Нефтенол-Нз. При его сопоставлении с образцом ИМД-1 по показателю фильтрации, получаем величину относительного изменения данного показателя равную 4,3 раза, увеличивающуюся до 7,5 раз в сопоставлении с ИМД-3. В среднем по изученным образцам, не содержащим 18 твердой фазы, показатель фильтрации ИМД-Х в сравнении с базовыми дисперсиями в 7,7 раза ниже. При обработке оптимальной добавкой гидрофобизированного мела, составляющей 1%, показатели фильтрации ИМД-1 и ИМД-3 снижаются в 3,9 раза и 2,6 раза, достигая 10 см3/30мин и 8,6 см3/30мин соответственно, что позволяет использовать эти системы, также как и ИМД-2, для заканчивания скважин. Сопоставление показателей стабильности, полученных с применением разработанной методики обработки и интерпретации вольт-амперных характеристик, выполнено в табл.2. Таблица 2 – Сопоставление ИМД по параметрам электростабильности Исследуемая дисперсия ИМД-1 ИМД-2 ИМД-3 Нефтенол (7,62%) Термостойкость, С прогноз факт UП ПСЭ >100 131.1 167.9 >100 124.9 >100 99.3 133.8 85 89.0 83.6 Показатели стабильности при 80 С Uп(80), 0(80), ПСЭ(80) Pf(80) В Омм 84.3 52.7 36.1 17.1 2453 1152 470 750 10277 7720 4595 17767 2.52 0.89 0.22 1.33 При использовании стандартной характеристики напряжения пробоя электростабильность образцов ИМД-Х в среднем в 3,4 раза выше. Однако, с учетом сильно отличающегося 0 , более объективную оценку стабильности ИМД дает интегральная характеристика их термостойкости, которая для ИМД-Х в среднем в 1,5 раза выше стабильности образца №4 (7,62%Нефтенол). При этом термостойкость ИМД-1, ИМД-2 и ИМД-3 выше в 1,7 раза, 1,5 раза и 1,35 раза соответственно, но, как видно из сопоставления со значениями ПСЭ, для ИМД-1 этот результат в большей степени обеспечивает меньшая растворимость мицеллообразователя в дисперсионной среде, нежели рост прочности межфазных слоев, а для ИМД-3 – наоборот. По этой причине ИМД-1 проигрывает образцу №4 по параметру Pf , т.е. имеет большую мгновенную фильтрацию в забойных условиях, компенсируемую снижением длительной фильтрации за счет увеличения кратности изменения эффективной вязкости N . Наибольшей прочностью межфазных слоев обладает ИМД-3, ИМД-2 в этом отношении представляет компромиссный вариант, но в среднем по системам ИМД-Х прочность межфазных слоев в 2,7 раза выше, чем у образца №4. Прямое сопоставление базовых ИМД с ИМД-Х по эффективной вязкости с применением методики моделирования циркуляции оказалось невозможным изза чрезмерного структурирования образца №4, ДНС которого достигло 71,2 Па при пластической вязкости 3,08 Пас и предельном напряжении сдвига 59,3 Па. Поэтому в качестве базы сопоставления для ИМД-Х использовался эмульсионный раствор на углеводородной основе (ЭРУО) с объемным соотношением углеводород:вода 50:50, стабилизированный 2% Нефтенола-НЗ и 1% органобентонита марки Консит-А. Результаты моделирования циркуляции, в соответствии с программой реометрии в табл.1, приведены на рис.7 и подтверждают прокачиваемость ИМД-Х по скважине на уровне ЭРУО. Образец эмульсии: ИМД-1 (8% ДТ) АБТ-ствол 700 СБТ АБТ Эффективная вязкость головной порции, мПас 800 СБТствол 19 600 500 ИМД-1 (12% ДТ) ЭРУО ИМД-2 (8% Парафина) АБТ-колонна 400 300 200 100 течение в трубах течение в кольцевом пространстве 0 0 400 800 1200 1600 2000 2400 2800 3200 3600 Время циркуляции, с ИМД-1 (8% ДТ) СБТ-ствол Образец эмульсии: 600 УБТ-ствол долото СБТ 700 АБТ ИМД-1 (12% ДТ) 500 ЭРУО 400 ИМД-2 (8% Парафина) УБТ Эффективная вязкость головной порции, мПас 800 300 200 100 0 1100 течение в трубах 1120 1140 1160 1180 1200 1220 Время циркуляции, с течение в кольцевом пространстве 1240 1260 1280 1300 Рис. 7. Изменение эффективной вязкости ИМД и ЭРУО в процессе циркуляции по скважине Средневзвешенное по времени относительное изменение эффективной вязкости сравниваемых систем показывает, что вязкость ИМД-1 с 8% углеводорода на 26% выше, чем вязкость ЭРУО, вязкость ИМД-2 на 9% ниже нее. При увеличении содержания дизельного топлива в составе ИМД-1 в 1,5 раза эффективная вязкость снижается до уровня на 45 % ниже, чем вязкость ЭРУО. Таким образом, ИМД-2 отвечает всем технологическим требованиям к буровому раствору, поэтому используем ее состав для расчета стоимости, которая при плотности 1067 кг/м3 составляет 6244 руб/т. В соответствии с рисунком 1, полученная цифра укладывается в интервал стоимости РВО. В сравнении с зарубежным ИЭР «PARALAND» (M-I Swaco) на основе н-парафина, ИМД-2 в 4,1 раза дешевле, и даже если все компоненты «PARALAND» заменить 20 отечественными аналогами, цена получившейся системы все равно остается выше, чем у разработанной ИМД-2 в 3,4 раза. В четвертой главе приводятся результаты промысловых испытаний разработанной ИМД-БР, описана технология ее получения, дан состав и свойства. Выполнено сопоставление с базовой ИМД(Девон-4В), примененной в аналогичных условиях. Испытания проходили на скважине №158 Архангеловского участка Дачно-Репинского месторождения, расположенного в Оренбургской области, где ИМД-БР применялась в качестве промывочной жидкости при выполнении глубокой сверлящей перфорации. В процессе перфорационных работ ИМД-БР сделала 3,5 цикла циркуляции по скважине и находилась в контакте с продуктивным пластом до момента освоения в общей сложности 72 часа, за которые она поглотилась в объеме 2,5 м3. Освоение скважины осуществлено заменой ИМД-БР на нефть путем прямой промывки через НКТ, после чего приток установился через 58 часов. В сравнении с результатами глубокой перфорации на соседней базовой скважине №161, где применялась вода, дебит нефти при аналогичной длине и количестве каналов после использования ИМД-БР вырос в 3,2 раза, а сроки освоения сократились в 19 раз, не смотря на то, что приток вызывался свабированием. В обеих скважинах перфорировались интервалы трещиноватых известняков Афонинского горизонта, расположенные на глубинах от 3721 м до 3748 м при забойной температуре до 74 С. Скважины соседние, вертикальные, расстояние между устьями 1 км. До перфорации на них проводилась водоизоляция жидким стеклом и ПОХА. Все перечисленное позволяет считать условия перфорации на сравниваемых скважинах идентичными и отнести полученный эффект на влияние жидкости перфорации, что доказывает высокое качество вскрытия пласта с применением ИМД-БР. Всего было приготовлено 51 м3 ИМД-БР с составом и свойствами, указанными в табл.3. Таблица 3 – Состав и свойства ИМД-БР, полученной на скв.№158 Состав ИМД-БР Свойства ИМД-БР Параметры степенной реологической модели Компонент Содер, жание, 3 кг/м %мас. кр, -1 с упорядоченной структуры m, Пасn Конденсат (=840 кг/м3) 6.2 Вода (=1184 кг/м3) 91.1 СУПРАМОЛ-1(С) 2.5 ГКЖ-10 0.2 1143 243 n разупоря доченной структуры m, Пасn n 1.879 -0.507 7.045 -0.486 Показатели электростабильности ПФ (АНИ) Т пред , С при 20 С, (прогноз) 0(20) , U п(20) , см3/30мин ПСЭ (20) В Омм U п ПСЭ 12,4 8033 2168 79 101 138 Все компоненты сливали в общую подземную емкость, не оборудованную перемешивающими устройствами, а затем полученной прямой эмульсией без использования буферных разделителей заместили скважинную жидкость. Обращение фаз произошло непосредственно в стволе скважины, когда эмульсия сделала 2,4 цикла циркуляции при расходе 8 л/с. Продолжительность стадии нуклеации в этих условиях составила 295 мин., последующая стадия 21 распространения заняла еще 230 минут, таким образом, до момента стабилизации параметров ИМД-БР прошло 425 минут. После этого в НКТ на кабеле спустили перфоратор и начали сверление при подаче промывочной жидкости 2,1 л/с. Прохождение через забойный двигатель, разделитель потока и фрезу вызвало динамическое загущение ИМД-БР отмеченное по показаниям забойного датчика в затрубъе, величина которого при выходе в кольцевое пространство составила 75% от потенциально возможного. При этом быстрая релаксация завершалась за 40 мин, чему соответствовала высота столба ИМДБР, находящейся в переходном состоянии, равная 550 м. Эквивалентное загущение на этом участке составило 13% от потенциально возможного, вызвав рост забойного давления всего на 0,5%. Таким образом, ИМД-БР доказала свою хорошую прокачиваемость по скважине. На скважине №161 первоначально планировалось применение концентрированной ИМД с объемным соотношением углеводород: вода 27:73, полученной на основе нефти, пластовой воды и нефтяного эмульгатора Девон4В. Компоненты этой системы также смешивались в емкости без применения специального оборудования, однако самоэмульгирование с обращением фаз происходило за несколько минут с образованием высоковязкой эмульсии, что исключило вариант с ее получением непосредственно в стволе скважины. На приготовление ИМД было затрачено 8 часов, но в данном случае время потребовалось на выравнивание ее параметров в емкости путем циркуляции цементировочным агрегатом. Длительная циркуляция высоковязкой эмульсии привела к образованию пены, снизившей плотность перфорационной жидкости до 1088 кг/м3 при минимально необходимом ее значении 1100 кг/м3. Исследования реологических параметров показали отсутствие динамического загущения, что позволило использовать для гидравлического расчета модель Оствальда с параметрами: k=3,924 Пасn, n=0,5452. Однако, вопреки его результатам, попытка закачки ИМД в скважину окончилась неудачей – нагнетание было прекращено в связи с чрезмерным ростом давления на насосе, достигшим 10 МПа при объеме всего 1,35 м3. По этой причине дальнейшие работы на скважине проводились с использованием пластовой воды, которая поглощалась, не обеспечивая выход циркуляции. Предположительно полученный негативный результат вызван слишком высокой эмульгирующей способностью Девон-4В, сделавшей неэффективным использование нефтяного буфера, закачанного перед ИМД в объеме 1,2 м3. Также вероятно проваливание тяжелой ИМД через буфер, ввиду недостаточного расхода нагнетаемой жидкости. Таким образом, опыт работ показал предпочтительность использования ИМД-БР, получаемой непосредственно в стволе скважины и не требующей буферных разделителей при замещении скважинной жидкости. 1. Основные выводы Разработана комплексная методика оценки свойств ИМД, интегрирующая в себе электрические методы и реометрию, позволяющая повысить достоверность определения параметров электростабильности на основе выявления динамики полиморфных модификаций мицеллообразователя в 22 2. 3. 4. 5. 6. дисперсной фазе и его растворимости в дисперсионной среде, а также отслеживать колебания технологических параметров, вызванные релаксационными процессами. Обосновано применение полиэфирного мицеллообразователя СУПРАМОЛ для получения лиофильных инвертно-мицеллярных дисперсий с пониженным содержанием углеводорода, найден путь его синтеза и налажено производство. Выполнены испытания мицеллообразователя СУПРАМОЛ показавшие, его способность образовывать ИМД с содержанием углеводорода 8%, при в 2,5 раза меньшей в сравнении с существующими аналогичными реагентами рабочей концентрации, отличающиеся кратно более высокими показателями стабильности и на порядок меньшими значениями реологических параметров. На основе мицеллообразователя СУПРАМОЛ и экологически чистого пожаробезопасного н-парафина разработана технологическая жидкость ИМД-БР, соответствующая по качеству стандартным ИЭР, но стоящая при одинаковой углеводородной основе в 4 раза меньше. Отработана технология получения ИМД-БР в промысловых условиях без специальных перемешивающих устройств, и на основе опыта ведения работ показана предпочтительность инверсии фаз при самоэмульгировании непосредственно в стволе скважины после замещения всего объема скважинной жидкости, что обеспечивается значительной продолжительностью стадии нуклеации разработанного мицеллообразователя. Проведены промысловые испытания ИМД-БР, подтвердившие ее технологичность, прокачиваемость по скважине после прохождения забойного двигателя и долота, способность сохранять свои свойства в условиях длительного пребывания в скважине без циркуляции при высоких забойных температурах, высокое качество вскрытия продуктивного пласта, выразившееся в приросте дебита нефти в 3,2 раза при сокращении сроков освоения в 19 раз в сравнении с использованием пластовой воды. Основные положения диссертации опубликованы: - в изданиях, рекомендованных ВАК Минобразования и науки РФ: 1. Рамазанов А.Р. Ингибирующие промывочные системы на основе ионофоров – совершенство при минимуме затрат / А.Р. Рамазанов, А.Я. Соловьев // ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ, 2008. – №12. – С.20-26. 2. Рамазанов А.Р. Функционально переключаемые технологические жидкости для бурения и капитального ремонта скважин / А.Р. Рамазанов, А.Я. Соловьев // БУРЕНИЕ И НЕФТЬ, 2010. – №11. – С.38-40. - в других изданиях: 3. Рамазанов А.Р. Разработка и применение SMART-материалов, как направление развития нанотехнологий в бурении и ремонте скважин/ А.Р. Рамазанов, А.Я. Соловьев // Сборник трудов II Международной конференции 23 молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники». – Уфа: Нефтегазовое дело, 2010. –Том 1. - С.95-101. 4. Рамазанов А.Р. Разработка адаптивной технологической жидкости для повышения эффективности промывки эксцентричного кольцевого пространства скважины / А.Р. Рамазанов, А.Я. Соловьев //Сборник трудов II Международной конференции молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники». – Уфа: Нефтегазовое дело, 2010. – Том 1. - С.165-169. 5. Рамазанов А.Р. Сравнительная оценка ингибирующих промывочных систем применением покомпонентного моделирования составляющих увлажнения глинистого материала / А.Р. Рамазанов, А.Я. Соловьев// Сборник трудов II Международной конференции молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники». – Уфа: Нефтегазовое дело, 2010. – Том 1. - С.66-71. 6. Рамазанов А.Р. Особенности реологического поведения высококонцентрированных инвертно-мицеллярных дисперсий/ А.Р. Рамазанов //Сборник научных трудов II Международной научнопрактической конференции «Повышение качества строительства скважин». – Уфа: Нефтегазовое дело, 2010. - С.208-213. 7. Рамазанов А.Р. Об оценке агрегативной устойчивости инвертномицеллярных дисперсий, стабилизированных ионофорами/ А.Р. Рамазанов //Сборник научных трудов II Международной научно-практической конференции «Повышение качества строительства скважин». – Уфа: Нефтегазовое дело, 2010. - С.203-207. 8. Рамазанов А.Р. Разработка противоприхватной жидкости на основе хелатного брейкера для работы в скважинах, осложненных глинистыми сальниками / А.Р. Рамазанов, А.Я. Соловьев //Сборник научных трудов II Международной научно-практической конференции «Повышение качества строительства скважин».– Уфа: Нефтегазовое дело, 2010. - С.153-159. 9. Рамазанов А.Р. Разработка термостойкого ингибирующего бурового раствора на углеводородной основе / А.Р. Рамазанов // Проблемы геологии, геофизики, бурения и добычи нефти. Экономика и управление: Сб. статей аспирантов и молодых специалистов. – Уфа: изд-во НПФ «Геофизика», 2009. – Вып.6. – С.203-213. 10.Рамазанов А.Р. Разработка высококонцентрированной самоэмульгирующейся инвертно-эмульсионной системы для бурения скважин в районах с уязвимой экологией / А.Р. Рамазанов //Сборник научных трудов Международной научно-практической конференции "Нефтегазовый комплекс в условиях индустриально-инновационного развития Казахстана". – Атырау: АИНГ, 2011. – С.132-139.
