RU2102429C1

RU2102429C1 - Clayless drilling fluid

Info

Publication number: RU2102429C1
Application number: RU95111140A
Authority: RU
Inventors: А.А. Анисимов; Н.М. Воробьева; Н.Д. Авдеева; О.В. Демидова; Б.И. Захаров
Original assignee: Научно-исследовательский и проектный институт "Севернипигаз"
Priority date: 1995-06-28
Filing date: 1995-06-28
Publication date: 1998-01-20

Abstract

FIELD: oil and gas production. SUBSTANCE: drilling fluid contains, wt. -%: peat, 5-7; potassium-containing alkaline modifier, 0.5-1.5; potassium chloride, 1-3; polyacrylamide, 0.002-0.004; and water, the balance. EFFECT: improved washing characteristics of fluid. 2 cl, 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к бурению нефтяных и газовых скважин, в частности к буровым растворам для промывки ствола скважин. The invention relates to the drilling of oil and gas wells, in particular to drilling fluids for washing the wellbore.

Известны безглинистые буровые растворы, приготовленные путем обработки водной торфяной суспензии щелочными агентами, в качестве которых используются гидроксиды, карбонаты, силикаты щелочных металлов (см. О.К. Ангелопуло, В.М. Подгорнов, В.Э. Аваков Буровые растворы для осложненных условий. М. Недра, 1988 г). Known clay-free drilling fluids prepared by treating an aqueous peat suspension with alkaline agents, which are used as hydroxides, carbonates, silicates of alkali metals (see O.K. Angelopulo, V.M. Podgornov, V.E. Avakov Drilling fluids for complicated conditions M. Nedra, 1988).

Недостатком трехкомпонентных растворов (торф-вода-щелочная добавка) является высокая фильтрация и низкая технологичность получаемой системы. Применение таких растворов ограничено интервалами сложенными рыхлыми поглощающими породами. Известен безглинистый буровой раствор, взятый нами в качестве прототипа, в котором торфощелочная суспензия, с целью снижения вязкости, статического напряжения сдвига в условиях полиминеральной агрессии, содержит следующие ингредиенты (мас.):
Гуматосодержащее вещество 4,0 8,0
Щелочной электролит 0,2 1,5
Гелеобразователь 1,0 3,0
Органический стабилизатор 0,1 1,0
Ингибитор 1,0 40,0
Вода Остальное
В качестве щелочного электролита в данном растворе могут быть использованы силикаты, карбонаты, фосфаты щелочных металлов.The disadvantage of three-component solutions (peat-water-alkaline additive) is the high filtration and low processability of the resulting system. The use of such solutions is limited to the intervals folded loose absorbing rocks. Known clay-free drilling fluid, taken by us as a prototype, in which peat-alkaline suspension, in order to reduce viscosity, static shear stress in conditions of polymineral aggression, contains the following ingredients (wt.):
Humate-containing substance 4.0 8.0
Alkaline electrolyte 0.2 1.5
Gelling agent 1.0 3.0
Organic stabilizer 0.1 1.0
Inhibitor 1.0 40.0
Water Else
As the alkaline electrolyte in this solution, silicates, carbonates, and alkali metal phosphates can be used.

В качестве ингибирующих добавок, в зависимости от разбуриваемых пород, применяют хлориды натрия, калия и др. As inhibitory additives, depending on the rocks being drilled, sodium, potassium and other chlorides are used.

Недостатком данного раствора является низкая флокулирующая способность и, несмотря на наличие в составе ингибитора, неудовлетворительные ингибирующие свойства при применении для разбуривания разрезов, сложенных глинистыми породами. Следствием указанных недостатков является нарушение устойчивости ствола скважины, обогащение бурового раствора частицами шлама, в том числе мелкодисперсными, что в конечном итоге приводит к изменению структурно-механических параметров (см. авторское свидетельство СССР N 945163, кл. C 09 K 7/02, опубл. 23.07.82). The disadvantage of this solution is the low flocculating ability and, despite the presence of an inhibitor in the composition, unsatisfactory inhibitory properties when used for drilling sections formed by clay rocks. The consequence of these shortcomings is a violation of the stability of the wellbore, enrichment of the drilling fluid with particles of sludge, including fine ones, which ultimately leads to a change in structural and mechanical parameters (see USSR author's certificate N 945163, class C 09 K 7/02, publ. . 07.23.82).

Задачей изобретения является получение безглинистого бурового раствора с высокими ингибирующими свойствами по отношению к глинистым породам и одновременно обладающим элективной флокулирующей способностью. The objective of the invention is to obtain a clayless drilling fluid with high inhibitory properties in relation to clay rocks and at the same time having an elective flocculating ability.

Поставленная задача решается тем, что в безглинистом буровом растворе, содержащем торф, щелочной модификатор, ингибитор и воду, в качестве щелочного модификатора безглинистый буровой раствор содержит калийсодержащий щелочной реагент, в качестве ингибитора хлористый калий, а в качестве флокулянта полиакриламид при следующем соотношении компонентов, мас. The problem is solved in that in a clayless mud containing peat, an alkaline modifier, an inhibitor and water, the clayless mud contains a potassium alkaline reagent as an alkaline modifier, potassium chloride as an inhibitor, and polyacrylamide as a flocculant in the following ratio of components, wt .

Торф (по сухому веществу) 5 7
Калийсодержащий щелочной модификатор 0,5 1,5
Хлористый калий 1 3
Полиакриламид 0,002 0,004
Вода Остальное
Безглинистый буровой раствор по п.1, отличающийся тем, что в качестве калийсодержащего щелочного модификатора он содержит едкий калий или углекислый калий.Peat (dry matter) 5 7
Potassium alkaline modifier 0.5 1.5
Potassium chloride 1 3
Polyacrylamide 0.002 0.004
Water Else
Clayless drilling mud according to claim 1, characterized in that as a potassium-containing alkaline modifier, it contains caustic potassium or carbonic potassium.

В известном безглинистом буровом растворе для модификации торфяного структурообразователя могут быть использованы любые щелочные реагенты. В предполагаемом решении щелочным модификатором торфа может быть только калийсодержащий реагент KOH или K₂CO₃. При таком условии одновременно происходит омыление частиц торфа и обогащение водной фазы безглинистого раствора ионами калия. Дополнительное обогащение торфогуматного раствора калий-ионами происходит при введении хлористого калия. Сочетание калийсодержащего щелочного модификатора с хлористым калием приводит к обогащению фильтрата торфогуматного бурового раствора ионами калия, активно способствующими подавлению процесса набухания и гидратации глинистых сланцев. При любом другом сочетании полочных и ингибирующих добавок не удается получить торфогуматный раствор с эффективными ингибирующими свойствами. Отличительным признаком заявляемого изобретения является также отсутствие в составе раствора гелеобразователя и органического стабилизатора, для обеспечения эффективной очистки торфогуматного раствора от тонкодисперсных частиц разбуриваемой глинистой породы в состав включена флокулирующая добавка полиакриламид (ПАА).In the well-known clay-free drilling fluid, any alkaline reagents can be used to modify the peat builder. In the proposed solution, the alkaline peat modifier can only be potassium-containing reagent KOH or K ₂ CO ₃ . Under this condition, saponification of peat particles and enrichment of the aqueous phase of a clay-free solution with potassium ions occur simultaneously. Additional enrichment of the peat solution with potassium ions occurs with the introduction of potassium chloride. The combination of a potassium-containing alkaline modifier with potassium chloride leads to the enrichment of the peat-borne mud filtrate with potassium ions, which actively contribute to suppressing the process of swelling and hydration of shale. With any other combination of shelf and inhibitory additives, it is not possible to obtain a peat-humate solution with effective inhibitory properties. A distinctive feature of the claimed invention is also the absence of a gel-forming agent and an organic stabilizer in the composition, to ensure effective cleaning of the peat solution from fine particles of drillable clay rock, the composition includes a flocculating additive polyacrylamide (PAA).

Изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень", так как приведенное сочетание и соотношение компонентов в заявляемом безглинистом буровом растворе является неочевидным для среднего специалиста в данной области знаний. The invention meets the criterion of "inventive step", since the combination and ratio of components in the inventive clayless drilling mud is not obvious to the average person skilled in the art.

Вышеперечисленные признаки, позволяют считать заявляемый состав безглинистого бурового раствора новым, не описанным в научно-технической и патентной литературе. The above symptoms allow us to consider the claimed composition of clay-free drilling mud new, not described in the scientific, technical and patent literature.

Изобретение является промышленно применимым (акт лабораторных испытаний прилагается). The invention is industrially applicable (laboratory test report is attached).

При приготовлении раствора предлагаемого состава использовались следующие реагенты:
фрезерный торф, выпускаемый Сосногорским торфопредприятием (ТУ 214-412-07-89);
калий гидрат окиси технический (ГОСТ 9285-78), выпускаемый для производства удобрений и др.When preparing the solution of the proposed composition, the following reagents were used:
milled peat produced by Sosnogorsk peat enterprise (TU 214-412-07-89);
technical potassium oxide hydrate (GOST 9285-78), produced for the production of fertilizers, etc.

калий углекислый технический (K₂CO₃•1,5H₂O, поташ, ГОСТ 10690-73), выпускаемый для строительства стекольной промышленности и др.technical carbonic potassium (K ₂ CO ₃ • 1,5H ₂ O, potash, GOST 10690-73), produced for the construction of the glass industry, etc.

калий хлористый (ГОСТ 4568-83), выпускаемый для сельского хозяйства как удобрение;
полиакриламид (ТУ 6-16-2531-81), используемый в практике бурения в качестве стабилизатора растворов.potassium chloride (GOST 4568-83), produced for agriculture as a fertilizer;
polyacrylamide (TU 6-16-2531-81), used in drilling practice as a stabilizer for solutions.

В качестве основы для приготовления безглинистого бурового раствора была использована водная суспензия, содержащая 5 7 мас. торфа. При содержании торфа менее 5 мас. получается промывочная жидкость с низкими структурно-механическими параметрами (см. таблицу ), при увеличении содержания торфа более 7% образуется непрокачиваемый раствор. Указанные в таблице и формуле концентрации торфа даны в расчете на сухой торф, поэтому при расчете количества данного структурообразователя следует учитывать влажность исходного сырья. As the basis for the preparation of clay-free drilling fluid was used an aqueous suspension containing 5 to 7 wt. peat. When the peat content is less than 5 wt. a flushing fluid with low structural and mechanical parameters is obtained (see table), with an increase in peat content of more than 7%, a non-pumpable solution is formed. The peat concentrations indicated in the table and formula are calculated for dry peat, therefore, when calculating the amount of this builder, the moisture content of the feedstock should be taken into account.

Для оценки эффективности заявляемого решения была проведена серия экспериментов по определению показателя увлажнения (набухаемости) глинистых образцов в среде исследуемых растворов. Для изготовления образцов был использован шлам со скв. 6401 Бованенковского месторождения. Навеска увлажненной до 20% фракции шлама размером <0,25 мм помещалась в пресс-форму, где под давлением 40 МПа прессовали образец. После взвешивания образец помещали в исследуемую среду и выдерживали в течение 4-х часов. Затем образец извлекали из раствора и взвешивали. По разнице весов до и после опыта по результатам трех параллельных измерений рассчитывали количество влаги, поглощенной глинистым образцом. To assess the effectiveness of the proposed solution, a series of experiments was carried out to determine the wetting (swelling) index of clay samples in the environment of the studied solutions. For the manufacture of samples was used sludge with wells. 6401 Bovanenkovo field. A sample of sludge fraction moistened to 20% with a size of <0.25 mm was placed in a mold, where a sample was pressed under a pressure of 40 MPa. After weighing, the sample was placed in the test medium and kept for 4 hours. Then the sample was removed from the solution and weighed. The amount of moisture absorbed by the clay sample was calculated by the difference in weights before and after the experiment according to the results of three parallel measurements.

Результаты испытаний растворов по прототипу и по заявляемому составу представлены в таблице. Под N 5, 6, 7, 8 приведены параметры растворов, в которых в качестве щелочного модификатора использованы натрийсодержащие реагенты: каустическая сода (NaOH) и карбонат натрия (Na₂CO₃). Под остальными номерами в состав растворов входят калийсодержащие добавки.The test results of the solutions of the prototype and the claimed composition are presented in the table. Nos. 5, 6, 7, 8 show the parameters of solutions in which sodium-containing reagents were used as the alkaline modifier: caustic soda (NaOH) and sodium carbonate (Na ₂ CO ₃ ). Under the remaining numbers, the composition of the solutions includes potassium-containing additives.

Как показали замеры параметров, наибольшее увлажнение глинистых образцов отмечается в тех растворах, где щелочным модификатором торфа служат NaOH и Na₂CO₃, причем с увеличением концентрации этих реагентов возрастает степень увлажненности образцов. Использование хлористого калия как ингибирующей добавки в этих растворах дает незначительный эффект даже при высоком до 10 мас. ) содержании его в растворе (см. таблицу, опыт N 8). В растворах, в состав которых входят калийсодержащий щелочной модификатор и хлористый калий, наблюдается снижение набухаемости глинистых образцов по сравнению с прототипом. Наименьшая увлажненность отмечена у образцов, помещенных в растворы, содержание 0,5 -1,5 мас. едкого калия (или поташа) и 1 3 мас. хлористого калия (см. таблицу, оп. NN 9 13). При уменьшении количества щелочного реагента ниже 0,5 мас. в растворе процесс омыления торфа происходит неглубоко, в результате чего ухудшаются фильтрационные характеристики бурового раствора (см. таблицу, оп. N 16), при увеличении свыше 1,5 мас. наблюдается возрастание pH среды до нежелательной величины (см. таблицу, оп. N 14, 15). Уменьшение концентрации хлористого калия ниже 1 мас. не дает достаточного ингибирующего эффекта, (см. таблицу, опыт N 18) увеличение выше 3 мас. нецелесообразно, т.к. при этом набухаемость образцов снижается незначительно (см. таблицу, оп. N 17).As measurements of the parameters showed, the greatest moisture content of clay samples is observed in those solutions where NaOH and Na ₂ CO ₃ serve as the alkaline peat modifier, and the degree of moisture content of the samples increases with an increase in the concentration of these reagents. The use of potassium chloride as an inhibitory additive in these solutions gives a negligible effect even at high to 10 wt. ) its content in solution (see table, experiment No. 8). In solutions containing potassium alkaline modifier and potassium chloride, there is a decrease in the swelling of clay samples compared to the prototype. The least moisture was observed in samples placed in solutions, the content of 0.5 to 1.5 wt. caustic potassium (or potash) and 1 to 3 wt. potassium chloride (see table, op. NN 9 13). When reducing the amount of alkaline reagent below 0.5 wt. in the solution, the process of saponification of peat occurs shallowly, as a result of which the filtration characteristics of the drilling fluid deteriorate (see table, op. N 16), with an increase of over 1.5 wt. there is an increase in pH of the medium to an undesirable value (see table, op. N 14, 15). The decrease in the concentration of potassium chloride below 1 wt. does not give a sufficient inhibitory effect, (see table, experiment No. 18) increase above 3 wt. impractical since the swelling of the samples decreases slightly (see table, op. N 17).

Контроль стандартных параметров растворов приведенного состава показал их высокую стабильность, низкую фильтрацию. The control of standard parameters of solutions of the given composition showed their high stability and low filtration.

Разбуривание неустойчивых глинистых разрезов, для которых предназначается предлагаемый раствор, сопровождается обогащением промывочной жидкости высококоллоидной глинистой фракцией. Этот процесс приводит к потере структурно-механических свойств торфогуматного раствора. Поэтому наряду с неорганическими реагентами, снимающими диспергирующее действие фильтрата, были проведены исследования по подбору реагента, обеспечивающего эффективную флокуляцию тонкодисперсных глинистых частиц из среды бурового раствора. Флокулирующий эффект оценивали по зависимости скорости седиментации твердой фазы глинистой суспензий от содержания флокулирующей добавки, для этого в мерный цилиндр объемом 100 см³, содержащий 3%-ную глинистую суспензию, вводили различное количество реагентов и через 15 мин замеряли объем осветлившейся жидкости. Таким образом были исследованы флокулирующие свойства гипана, КМЦ, полиакриламида, экстендера и полиэтиленоксида.Drilling unstable clay sections, for which the proposed solution is intended, is accompanied by the enrichment of the washing liquid with a high colloidal clay fraction. This process leads to the loss of structural and mechanical properties of the peat-humate solution. Therefore, along with inorganic reagents that remove the dispersing effect of the filtrate, studies were carried out to select a reagent that provides effective flocculation of fine clay particles from the drilling fluid. The flocculating effect was evaluated by the dependence of the sedimentation rate of the solid phase of clay suspensions on the content of flocculating additives; for this, a different amount of reagents was introduced into a 100 cm ³ measuring cylinder containing a 3% clay suspension and after 15 min the volume of clarified liquid was measured. Thus, the flocculating properties of hypane, CMC, polyacrylamide, extender and polyethylene oxide were investigated.

Ниже на чертеже показана зависимость седиментации твердой фазы от концентрации бурового раствора, где кривые обозначены: 1 КМЦ, 2 гипан, 3 - экстендер, 4 полиакриламид, 5 полиэтиленоксид. The drawing below shows the dependence of sedimentation of the solid phase on the concentration of the drilling fluid, where the curves are indicated: 1 CMC, 2 hypane, 3 - extender, 4 polyacrylamide, 5 polyethylene oxide.

Приведенные эксперименты показали (чертеж), что из перечисленных полимеров наибольшей флокулирующей способностью обладает полиакриламид. Максимальная флокуляция мелкодисперсных глинистых частиц отмечена у растворов, содержащих 0,002 0,004 мас. ПАА. The above experiments showed (drawing) that of the listed polymers polyacrylamide has the greatest flocculating ability. The maximum flocculation of fine clay particles was noted in solutions containing 0.002 to 0.004 wt. PAA.

При увеличении содержания ПАА свыше 0,004 мас. наблюдается стабилизация флокулирующего действия ПАА (см. чертеж, кривая N 4). На стандартные параметры заявляемого безглинистого бурового раствора, а также на набухаемость глинистых частиц указанное количество ПАА влияет незначительно (см. таблицу 1, N 19, 20). With an increase in PAA content in excess of 0.004 wt. stabilization of the flocculating action of PAA is observed (see drawing, curve No. 4). On the standard parameters of the inventive non-clay drilling mud, as well as on the swelling of clay particles, the indicated amount of PAA has little effect (see table 1, N 19, 20).

Пример 1. Для приготовления 1000 г заявляемого безглинистого бурового раствора из торфа с влажностью 60 мас. берут навеску торфа массой 80 г (что в пересчете на сухой торф составляет 50 г), добавляют 900 см³ воды и перемешивают суспензию в течение 15 мин. После этого в смесь добавляют 10 г едкого калия (калийсодержащий модификатор) и смесь перемешивают еще 30 мин. По истечении указанного времени в раствор добавляют ингибирующую добавку 10 г хлористого калия, после чего смесь перемешивают еще 15 мин. В последнюю очередь в безглинистый буровою раствор вводят 0,04 г полиакриламида (флокулянт). После 15-минутного перемешивания промывочный раствор набирает все необходимые свойства.Example 1. For the preparation of 1000 g of the inventive clayless drilling mud from peat with a moisture content of 60 wt. take a sample of peat weighing 80 g (which is 50 g in terms of dry peat), add 900 cm ^{3 of} water and mix the suspension for 15 minutes. After that, 10 g of potassium hydroxide (potassium-containing modifier) is added to the mixture and the mixture is stirred for another 30 minutes. After this time, an inhibitory additive of 10 g of potassium chloride was added to the solution, after which the mixture was stirred for another 15 minutes. Last of all, 0.04 g of polyacrylamide (flocculant) is added to a clay-free drilling mud. After stirring for 15 minutes, the wash solution gains all the necessary properties.

Пример 2. Для приготовления 1000 г заявляемого безглинистого бурового раствора из торфа влажностью 56 мас. берут навеску торфа массой 109,2 г (что в пересчете на сухое вещество составляет 70 г), добавляют 855,8 см³ воды и перемешивают смесь в течение 15 мин. После этого добавляют 15 г поташа (K₂CO₃ щелочной калийсодержащий модификатор) и раствор перемешивают еще 30 мин. По истечениии указанного времени в смесь добавляют 20 г хлористого калия и продолжают перемешивать. Через 15 мин в раствор вводят 0,02 г полиакриламида. После 15-минутного перемешивания раствор готов к использованию. При необходимости раствор может быть дообработан смазочными или поверхностно-активными добавками.Example 2. For the preparation of 1000 g of the inventive clayless drilling mud from peat with a moisture content of 56 wt. they take a sample of peat weighing 109.2 g (which is 70 g in terms of dry matter), add 855.8 cm ^{3 of} water and mix the mixture for 15 minutes. Then add 15 g of potash (K ₂ CO ₃ alkaline potassium-containing modifier) and the solution is stirred for another 30 minutes. After the specified time, 20 g of potassium chloride are added to the mixture and stirring is continued. After 15 minutes, 0.02 g of polyacrylamide was added to the solution. After stirring for 15 minutes, the solution is ready to use. If necessary, the solution can be further processed with lubricating or surfactant additives.

Применение предлагаемого безглинистого бурового раствора в сложных геологических условиях в сравнении с прототипом, позволит значительно снизить процесс диспергирования и разупрочнения глинистых разрезов, а также обеспечить элективную флокуляцию мелкодисперсных глинистых частиц из бурового раствора при его очистке. The use of the proposed clay-free drilling fluid in difficult geological conditions in comparison with the prototype will significantly reduce the process of dispersion and softening of clay sections, as well as provide selective flocculation of fine clay particles from the drilling fluid during its cleaning.

Claims

1. A clay-free drilling fluid containing peat, an alkaline modifier, an inhibitor and water, characterized in that it further comprises a flocculant
polyacrylamide, and as an alkaline modifier, a potassium-containing alkaline reagent, and as an inhibitor, potassium chloride in the following ratio of components, wt.

Peat (dry matter) 5 7
Potassium alkaline reagent 0.5 1.5
Potassium chloride 2 3
Polyacrylamide 0.002 0.004
Water Else
2. The solution according to claim 1, characterized in that it contains caustic potassium or potassium carbonate as the potassium alkaline reagent.