Повышение термостойкости буровых промывочных растворов

     Эффективность раздельного применения УЩР и хроматов определила широкое распространение этого вида обработки при повышенных температурах. Применение обычного УЩР приводит к интенсивному загустеванию растворов при высоких забойных температурах. Однако уже весьма небольшие добавки хроматов или бихроматов (0,05—0,2%) чрезвычайно их разжижают, обеспечивая рабочие свойства и высокую глиноемкость даже после нагревания до 200° С и выше. 
 

     4.5 Пути улучшения термостойкости глинистых растворов

     С целью повышения термостойкости глинистых растворов было проведено исследование, имевшее в виду связать отдельные факторы, управляющие поведением глинистых растворов при высоких температурах и попытаться установить общие закономерности, протекающих при этом процессе. В качестве основного критерия была принята, комплексная оценка термостойкости растворов и реагентов различного типа. Исходные растворы сопоставлялись с термообработанными растворами, что характеризует растворы, выходящие из скважины. Термообработки осуществлялись при температурах в диапазоне 90-220ºС длительностью от 1 часа до трех суток. Статическую термообработку проводили в термостате (рисунок 4.7). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1 — термостат;  2 — нагревательный элемент; з — автоклав с контрольным манометром; -t — автоклав с рубашкой для контрольного термометра; 5 — предохранительный клапан; 6 — манометр; 7—термометр;8 — контактный термометр; 9 — реле управления нагревом

Рисунок 4.7 - Установка для статической термообработки промывочных растворов 

     Основными результатами термообработок являются загущение растворов и рост водоотдачи. Действие высоких температур частично обратимо; некоторые свойства промывочных жидкостей после охлаждения восстанавливаются, если только при термообработке не произошли глубокие изменения химических реагентов. В первую очередь это относится к крахмалу. Несколько более устойчивые эфиры целлюлозы — карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ) и сульфатцеллюлоза (СЭЦ). Опыты  показывают, что стабилизирующая активность КМЦ с температурой падает. Именно в связи с этим по мере углубления скважин растут расходы реагента.

     При 120—130° начинается быстрая деструкция КМЦ; и выше 140—150° она вообще уже непригодна (рисунок 4.8). 

Рисунок 4.8 – Влияние термообработки на водоотдачу глинистых растворов, обработанных КМЦ [1].

     Сравнительно термостоек углещелочной реагент (УЩР), в пресных растворах отлично переносящий длительный высокотемпературный нагрев.

     Но в присутствиии уже очень небольших количеств соли (1,5%), вполне переносимых этим реагентом в обычных условиях, растворы, содержащие УЩР, коагулируют. Хорошей термостойкостью обладает и конденсированная сульфитспиртовая барда (КССБ), в особенности для пресных растворов. Однако уже небольшая соленость (до 1,5%) требует для поддержания приемлемых динамических водоотдач значительных добавок реагента.

     Наибольшую термостойкость обеспечивает высокоактивный реагент — стабилизатор гипан — гидролизованный полиакрилонитрил. Введение до 1% гипана позволяет получать низкие водоотдачи при 200°. У раствора с 30% глины, 1,5% соли и 0,75% гипана сохраняется низкая водоотдача даже после 90-час. термообработки при 200° (рис. 4). Еще меньшие водоотдачи дает комбинирование гипана . с УЩР. В этом случае статическая водоотдача растворов, обработанных 0,8 — 0,5% гипана после 10-час. прогрева при 200° менее 2 см³. Приведенные данные, а также результаты термообработки водных растворов самих реагентов характеризуют их термостойкость по убыванию способности снижать водоотдачу глинистых растворов, следующим рядом:

     гипан — КССБ — КМЦ — СЭЦ — крахмал

     Подобное исследование было проведено и с реагентами-понизителями вязкости. И в этом случае термообработки снижают разжижающий эффект. Комплексные полифосфаты (гексаметафосфат, пирофосфат натрия) при более или менее интенсивном нагревании распадаются и перестают действовать. В отношении применения УЩР как разжижителя или сульфит-спиртовой барды (ССБ), то они также не могут обеспечить устойчивую вязкость глинистых растворов после прогрева. В первую очередь это видно по снижению их глиноемкости. Если до термообработки рабочие вязкости могли быть достигнуты при содержании 35% монотермитовой кудиновской глины, то у прогретых растворов допустимый максимум содержания глины составляет 30—25%. Соответственно снижается и допустимый уровень содержания реагента. В исследованных растворах содержание УЩР не должно превышать 10%, в противном случае при термообработке начинается интенсивное загущение. Если при соблюдении этих условий указанные реагенты могут обеспечить рабочие вязкости пресных растворов, то уже при минимальной минерализации вязкость резко возрастает. При обычных температурах или при нагревании до 100° положение может быть исправлено введением дополнительных количеств реагента. При более высоких температурах и небольшой солености это уже не удается. В подобных случаях необходимо применение более активных и термостойких реагентов, хотя сами по себе водные растворы понизителей вязкости лучше переносят прогрев, чем стабилизаторы. При обработке пресных глинистых растворов прогретыми реагентами эффективность УЩР не изменяется, а ССБ, видимо в результате термополимеризации, приобретает даже способность снижать водоотдачу. Из исследованных реагентов прогрев отрицательно сказывается на КССБ, которая становится не растворимой в воде. Одним из наиболее важных выводов, полученных на этой стадии работ, является то, что в термостойких растворах самостоятельная обработка понизителями вязкости нерациональна. Во всех случаях необходимо комбинирование их с другими реагентами. В связи с загустеванием и ростом водоотдачи, особенно при минерализации, эффективными вспомогательными средствами оказались не- которые поверхностно-активные вещества (ПАВ). Задачей их является снижение чувствительности глин (ингибирование) к коагулирующим влияниям температуры и электролитов путем модифицирования поверхности частиц адсорбционными слоями[1].

     В настоящее время могут быть сформулированы основные положения, определяющие поведение глинистых растворов при нагревании. Нагревание чрезвычайно интенсифицирует все процессы в обычных условиях заторможенные. При этом особенное значение приобретает следующее:

     1). Усиление пептизации — распада глинистых агрегатов под влиянием внешней среды. Этот процесс обусловлен ослаблением внутриагрегатных связей при нагревании. Он ведет к увеличению числа кинетически активных частиц в системе и, следовательно, к ее загущению. Пептизация усугубляется падением вязкости жидкой фазы, легче проникающей внутрь агрегатов. С другой стороны. падение вязкости жидкой фазы обусловливает большую проницаемость через корку и увеличение водоотдачи.

     2). Тиксотропное структурообразование, усиливающееся по мере охлаждения термообработанных растворов и вызывающее интенсивное загустевание. Пептизация — фактор, подготовляющий структурообразование.

     3). Многократное усиление коагуляции, что приводит к загущению растворов и росту водоотдачи. В значительной мере это является следствием падения защитных свойств реагентов в результате снижения вязкости структурированных лиосорбционных слоев, десорбции, частичной деполимеризации, как, например, в случае КМЦ. или наоборот — полимеризации, вплоть до получения нерастворимых продуктов, как в случае КССБ.  

     4.6 Выводы

     На основе подобных теоретических представлений и результатов экспериментальных исследований может быть сделано несколько выводов.

     1). Высокие температуры форсируют процессы пептизации, тиксотропного структурообразования и коагуляции. Результирующей этих процессов является загущение растворов и рост водоотдачи.

     2). При высоких температурах резко снижается эффективность действия химических реагентов, особенно при минерализации, даже весьма небольшой. Глиноемкость термостойких растворов также снижается. Наиболее эффективен при высоких температурах гипан. В пресных растворах термостойкость обеспечивается УЩР или КССБ и реагентами-понизителями вязкости ССБ. При минерализации должны применяться: гипан; гипан+УЩР; известковые растворы, стабилизированные гипаном, а при температурах не более 120—130° - КМЦ. Наиболее целесообразны комбинированные обработки.

     3). Совместное действие высоких температур, давления и циркуляции чрезвычайно сильно отражается на качестве промывочных жидкостей, в частности на водоотдаче. Еще больше усугубляется действие этих факторов при минерализации. В забойных условиях совершенно изменяются критерии хороших водоотдач. Раствор, нормально обладающий водоотдачей 3-5 см³, при 200° имеет водоотдачу 20-30 см³, а зачастую, даже значительно большей. В связи с этим очевидна порочность оценки влияния растворов на продуктивность пластов или устойчивость стенок скважин, исходя из стандартных водоотдач. Истинные представления могут быть получены только на основании измерении в условиях, моделирующих забойные.