Реологические и фильтрационные свойства значительно влияют на технологию проводки скважины и вероятность возникновения осложнений. Для регулирования этих параметров при бурении неглубоких скважин могут применяться глинопопорошки и специализированные полимеры при бурении более протяженных стволов. Кроме того, полимерные реагенты могут выполнять ряд других функций, таких как ингибирование, инкапсуляция, флокуляция и т.д. Для регулирования реологических и фильтрационных свойств наиболее широко применяются полимерные полисахаридные реагенты, такие как КМЦ, ПАЦ.
Эффективность применения полимеров определяется количеством реагента, необходимого для придания промывочной жидкости требуемых свойств, т.е. от концентрации, и временем для достижения этих свойств, т.е. от скоростью растворения полимерного реагента.
Проблемой использования полимерных реагентов при приготовлении промывочных и других технологических жидкостей (например, при полимерном заводнении при организации системы ППД) является образование агломератов полимера, которые трудно поддаются диспергированию [1, 2]. Обычно обработка бурового раствора производится с ограничением скорости ввода реагента, например 15–20 минут на мешок, при которой размер образующихся агломератов не оказывает существенного влияния на промывочную жидкость. В случае когда требуется быстрая обработка большого объема промывочной жидкости, ввод полимера может привести к образованию значительных по размеру агломератов.
Данные агломераты получили название «рыбий глаз» [1–3]. Они возникают, когда частицы полимера начинают гидратироваться и на их поверхности появляется оболочка из высоковязкого геля. Данные оболочки обладают высокой липкостью и прочностью. В результате, если частицы не были диспергированы и находились достаточно близко друг к другу, происходит слипание оболочек и образование агломерата. Данные структуры растворяются намного дольше за счет меньшей площади контакта с водой, а из-за образования достаточно прочной оболочки не поддаются повторному диспергированию. Появление этих агломератов способно привести к значительным проблемам не только на поверхности, но и в скважине.
В условиях буровой формирование агломератов приводит к увеличению времени приготовления промывочной жидкости в целом. За счет высокой липкости слоя геля происходит потеря полимерного реагента за счет его осаждения на оборудование. Также не растворившийся полимер способен забивать сита и фильтры, приводить к частичному или полному закупориванию гидравлических линий. При попадании агломератов полимерного реагента в скважину они могут приводить к закупориванию перфорационных отверстий, фильтров-хвостовиков, к нарушению проницаемости гравийных фильтров. Агломераты небольшого размера способны приводить к уменьшению проницаемости призабойной зоны пласта [3]. При этом их удаление представляет серьезную проблему.
Таким образом, предотвращение образования агломератов при использовании полимерных реагентов является актуальной задачей, решение которой положительно скажется на процессе строительства скважины в целом. Для этого необходимо детальное понимание поведения полимерных реагентов при контакте их с растворителями.
При растворении неполимерного материала в подходящем растворителе процесс начинается сразу и определяется внешним сопротивлением массообмена через слой жидкости, непосредственно прилегающий к поверхности раздела растворитель–растворяемое вещество.
Для полимеров процесс растворения рассматривается иначе. Причина этого: размер молекул полимеров значительно превышает размер молекул растворителя [4]. Весь процесс можно разделить на две стадии: стадию диффузии молекул растворителя в полимер и стадию «распутывания» или отрыва цепей. При этом формируется слоистая структура, состоящая из шести слоев. Кроме слоев незатронутого полимера и чистого растворителя, выделяются слои инфильтрации, твердый набухший, гелеобразный и жидкий, т.е. раствор полимера (рисунок 1) [5].
В процессе растворения полимера лимитирующим процессом является проникновение молекул растворителя через гелеобразный слой вглубь частицы, пока это происходит, частицы полимера некоторое время пребывают в растворе. При этом если полимер не был диспергирован при контакте с растворителем, т.е. поступил в форме комка или агломерата, то проникновение растворителя начнется только в те частицы полимера, которые находились на поверхности агломерата. Это приведет к формированию объединенной слоистой структуры, которая будет изолировать внутренние частицы от гидратирования. Гелеобразный слой в полимерной частице обладает большой прочностью, поэтому повторное диспергирование образовавшегося агломерата затруднено. Таким образом, эти структуры могут находиться в нерастворившемся виде длительное время, до тех пор пока в их внутреннюю часть не проникнет растворитель.
Решение проблемы неудовлетворительного диспергирования, которое вызывает формирование агрегатов, возможно с применением различных способов. Каждый из этих способов реализует появление задержки гидратирования частицы полимера. Существуют следующие возможные решения:
− суспензии полимера, при которой задержку перед гидратированием обеспечивает слой жидкости, разделяющий частицы;
− поверхностная модификация частиц полимера, которая включает обработку частиц полимера диспергаторами или поверхностное сшивание молекул полимера.
Суспензии являются перспективным направлением, поскольку не только способны обеспечить предотвращение образования агломератов, а также обеспечивают возможность механизации ввода полимерного реагента. Они представляют собой взвесь частиц полимера в буферной жидкости (жидкости-носителе), которая не вызывает гидратации этого полимера и может быть удалена с его поверхности при контакте с водой.
К суспензиям предъявляется несколько обязательных требований. Первое – седиментационная устойчивость. Если суспензия нестабильна, то взвешенный полимер выпадает в осадок, формируя плотную упаковку, также называемую «hard pack», что не позволяет ему полностью диспергироваться при попадании в воду, поскольку толщина слоя жидкости между частицами становится недостаточной. Необходимо добиваться такой стабильности суспензии, при которой буферная жидкость не отделяется совсем или формируется рыхлая упаковка («soft pack»), когда между частицами полимера сохраняется слой жидкости достаточной толщины. Пример нестабильной суспензии, формирующей плотную упаковку, изображен на рисунке 2. Видно, что осевший полимер не возвращается во взвешенное состояние при переворачивании емкости – такую суспензию затруднительно диспергировать повторно.
В качестве жидкостей-носителей могут применяться как водорастворимые, так и водонерастворимые жидкости. В качестве водонерастворимой жидкости-носителя наибольшее предпочтение отдается дизельному топливу, поскольку для него существует большое количество методов модификации реологических свойств. Суть этих методов сводится к приданию дизельному топливу тиксотропных свойств или увеличению вязкости без изменения реологической модели. Второй способ не подходит для создания суспензий, поскольку не обеспечивает поддержания частиц во взвешенном состоянии. Поэтому для применения в суспензиях дизельному топливу придаются неньютоновские свойства путем создания тонкодисперсной суспензии гидрофобных частиц-стабилизаторов.
Водорастворимые жидкости-носители являются более предпочтительными. Это связано с тем, что они не образуют пленку на поверхности бурового раствора, а также могут оказывать меньшее влияние на свойства промывочной жидкости. Сложности использования водорастворимых жидкостей связаны с подбором стабилизатора, а также с более высокой стоимостью. В данной работе в качестве водорастворимой основы для суспензии использовался флотореагент оксаль Т-92. Выбор обусловлен тем фактом, что при добавлении в буровой раствор Т-92 уменьшает липкость фильтрационной корки, что приводит к снижению вероятности дифференциального прихвата [6].
Испытание стабильности суспензионной формы полимеров заключается в приготовлении 10 мл суспензии с массовой долей полимера 33 %. Приготовленная суспензия помещается в мерный цилиндр со шкалой, проградуированной до 10 мл и ценой деления 0,2 мл, и оставляется в покое в течение заданного времени. Каждые 24 часа в течение трех суток визуально определяется объем жидкости, свободной от полимера. Результат испытания записывается как доля свободной жидкости от всего объема суспензии. В качестве суспендируемого полимера использовалась полианионная целлюлоза (ПАЦ).
Суспензия полимеров считается стабильной, если по истечении 72 ч объем свободной жидкости не превышает 25 % от объема исходной суспензии. Суспензии, признанные стабильными по результатам 72-часового отстаивания, сохраняются для дальнейшего испытания стабильности и оставляются дополнительно на 7 суток с контролем количества отделившейся жидкости по истечении этого времени. Суспензии, признанные нестабильными, повторно перемешиваются для определения характера упаковки полимера. Если полимер представляет собой рыхлый осадок («soft pack»), который для повторного диспергирования не требует больших усилий, то суспензия признается пригодной к использованию, несмотря на седиментационную нестабильность. После чего вновь диспергированная суспензия оставляется в покое на 10 суток с контролем количества отделившейся жидкости по истечении этого времени. Если отделившийся полимер представляет собой плотный осадок («hard pack»), то суспензия признается непригодной к использованию. Суспензии, отстоявшиеся в течение 10 суток, перемешиваются для определения характера упаковки осадка.
Для испытания несущей способности буферной жидкости проводится исследование ее реологического профиля на ротационном вискозиметре Brookfield DV3T. Для этого готовится образец буферной жидкости объемом 10 мл и помещается в ячейку вискозиметра при комнатной температуре. Результат измерения представляет собой значения вязкости и напряжения сдвига при различных значениях скорости сдвига.
Для стабилизации жидкостей-носителей использовался коллоидный стабилизатор – органоглина, рекомендуемая для использования в обеих жидкостях. Для стабилизации оксаля были испытаны концентрации органоглины в 2 и 4 %. Поскольку выбранная органоглина не набухает в среде оксаля, в состав суспензии были добавлены активаторы: вода и ИПС. По итогам испытаний стабильность суспензии на основе оксаля Т-92 не была достигнута: при выбранных концентрациях стабилизатора по истечении 24 часов весь содержащийся полимер и органоглина выпадали в плотный осадок («hard pack»), что не позволяло использовать суспензию по назначению. Результаты приведены в таблице 1.
Для обеспечения стабильности суспензии на основе дизельного топлива было использовано два компонента: органофильная глина и соль жирной кислоты [7]. Седиментационная стабильность при использовании органоглины достигается при минимальной концентрации 6 % от массы суспензии.
Использование соли жирной кислоты придает дизельному топливу заметную удерживающую способность уже при концентрации в 1 %. При концентрации 1,5 % суспензия становится стабильной согласно принятому определению. Результаты представлены в таблице 1.
На рисунке 3 приведены фотографии стабильных и нестабильных суспензий по результатам отстоя в течение 10 суток.
Были определены реологические свойства оксаля Т-92 в чистом виде и после добавления в него органоглины с активатором. Как видно из графика на рисунке 4, оксаль Т-92 как в чистом виде, так и с добавлением стабилизатора не проявляет неньютоновские свойства. Заметное отличие вязкости прослеживается при скорости вращения шпинделя до 3 об/мин, после чего значение вязкости выходит на постоянное значение. Это подтверждает отсутствие стабильности суспензий на основе оксаля.
Исходя из графика на рисунке 5, стабильность суспензии на основе дизельного топлива и органоглины достигается при вязкости при низких скоростях сдвига (НСС) не меньше 1200 сПз.
Из графика на рисунке 6 видно, что соль ЖК придает дизельному топливу более выраженные свойства псевдопластичной жидкости. При сопоставимых вязкостях при НСС вязкость при высоких скоростях сдвига (ВСС) у состава с солью ЖК существенно ниже, чем у состава с органоглиной.
Таким образом, из выбранных для исследования жидкостей для создания суспензий полимеров наиболее подходящей является дизельное топливо. Суспензии на его основе стабильны и могут храниться длительное время, сохраняя свои свойства, что важно при использовании композиций при бурении скважин. Суспензии на основе оксаля и использованных стабилизаторов непригодны для применения за счет низкой седиментационной стабильности.
Недостатком суспензий в целом является низкое содержание действующего компонента, что увеличивает транспортные затраты на единицу массы полимера. Также такие композиции значительно дороже за счет добавления дополнительного компонента – буферной жидкости. Поэтому необходимо добиваться комплексного действия, чтобы буферная жидкость могла положительно влиять на свойства промывочной жидкости и это оправдывало повышение стоимости.
Также было показано, что соль ЖК является более эффективным стабилизатором суспензий на основе дизельного топлива, поскольку при меньшей концентрации обеспечивается лучшее стабилизирующее действие. Кроме того, из полученных результатов видно, что увеличение концентрации стеарата кальция на 1 % приводит к значительному увеличению вязкости при ВСС. Тем не менее суспензия с такими показателями вязкости остается текучей и не требует предварительного перемешивания для разрушения структуры. Следовательно, имеется потенциал для увеличения концентрации полимера в суспензии.
Литература
1. Трушин С.И. Управление трассами наклонно-направленных скважин при бурении в многолетнемерзлых горных породах со сложной тектоникой / С.И. Трушин, А.И. Осецкий, М.Ю. Малых, А.В. Пак, А.И. Шенгальц // Разведка и охрана недр. – 2019. – № 8. – С. 32–37.
2. Химченко П.В. Анализ технологических возможностей и ограничений для применения технологии полимерного заводнения на месторождениях России и стран ТС в современном налоговом режиме / П.В. Химченко // Нефть. Газ. Новации. – 2016. – № 12. – С. 68–70.
3. Химченко П.В. Алгоритм внедрения технологии полимерного заводнения от лаборатории до реализации на новых и выработанных месторождениях / П.В. Химченко // Нефть. Газ. Новации. – 2017. – № 8. – С. 30–43.
4. Рафиков С. Р. Введение в физико-химию растворов полимеров / С.Р. Рафиков, В.П. Будтов, Ю.Б. Монаков. – М.: Наука, 1978. – 328 с.
5. Beth A. Miller-Chou, Jack L. Koenig A review of polymer dissolution // Prog. Polym. Sci. 28 – 2003. – P. 1223–1270.
6. Петров Н.А. Исследование оксалей в качестве комплексных реагентов для бурения и освоения скважин / Н.А. Петров, Г.В. Конесев, А.В. Кореняко, И.Н. Давыдова // Нефтегазовое дело. – 2006 – № 2. – С. 11–33.
7. Жорник В.И. Влияние наноразмерных добавок на формирование дисперсной фазы пластичных смазок / В.И. Жорник // Вестник Витебского государственного технологического университета / ВГУ. – Витебск, 2013. – С. 82–89.
