Ключевые слова: буровой раствор, раствор на углеводородной основе, РУО, плоский реологический профиль, HTHP, ERD, термостабильность, загрязнение глиной.
При бурении нефтяных и газовых скважин в условиях высоких температур и давлений широко применяются растворы на углеводородной основе (РУО), обеспечивающие высокую ингибирующую способность, устойчивость ствола скважины и снижение риска осложнений [1]. Особенно актуально применение РУО при бурении протяженных горизонтальных скважин (ERD) и глубоководных скважин, где наблюдаются значительные перепады температуры и давления по стволу [2].
Практическая эффективность традиционных РУО подтверждается и промысловыми данными. По результатам применения РУО на месторождениях ОАО «Газпромнефть-Ноябрьскнефтегаз» было показано, что использование данных систем способствует повышению устойчивости ствола скважины, снижению осложнений и улучшению качества вскрытия продуктивных интервалов [3].
Одной из ключевых проблем традиционных РУО является выраженная зависимость реологических параметров от температуры. При снижении температуры раствор может демонстрировать чрезмерный рост вязкости и гелевых характеристик, что приводит к увеличению гидравлических сопротивлений, росту давления при циркуляции и перегрузке оборудования. В то же время при повышении температуры возможно существенное разжижение системы, сопровождающееся ухудшением транспорта шлама, оседанием утяжелителя и повышением риска образования шламовых подушек [1, 2]. Подобные изменения особенно критичны в условиях узкого окна эквивалентной циркуляционной плотности (ЭЦП), характерного для скважин с аномально высокими пластовым давлением и температурой (АВПД и АВПТ) [2].
Для решения данной проблемы были разработаны системы РУО с плоским реологическим профилем, характеризующиеся минимальным изменением реологических параметров в широком диапазоне температур [2]. Использование таких систем позволяет повысить эффективность очистки ствола, снизить рост ЭЦП, уменьшить вероятность седиментации барита [2].
Ранние системы бурового раствора с плоским реологическим профилем разрабатывались для глубоководного бурения и задачей являлось снижение роста ЭЦП при охлаждении бурового раствора в райзере.
Данный подход полезен не только для глубоководного бурения, но и для скважин с большим отходом по горизонтали и для условий АВПД и АВПТ – ключевым для таких систем бурового раствора является уже не абсолютная «плоскость» реологического профиля, а скорее его адаптивность.
При этом в настоящее время отсутствуют единые общепринятые критерии и универсальный подход к формированию плоского реологического профиля. Различные сервисные компании и исследователи используют собственные критерии оценки стабильности параметров ДНС, LSYP, R3, R6 и гелевых характеристик, адаптированные под конкретные типы растворов, диапазоны температур и давлений, а также условия бурения.
Практически во всех научных работах критерии плоского реологического профиля формировались эмпирически под конкретную систему, диапазон температур/давлений и решаемые задачи. Анализируя работы, можно сделать вывод, что авторы сначала анализировали поведение системы, а затем вводили критерии и допустимые диапазоны изменения параметров.
Современные исследования также показывают, что для формирования плоского реологического профиля особое значение имеют модификаторы реологии, обеспечивающие стабильность реологических параметров бурового раствора при изменении температуры [1]. В частности, применение двухкомпонентных модификаторов позволяет компенсировать температурное разжижение за счет различной температурной чувствительности компонентов системы [1]. Такой подход обеспечивает стабильность пластической вязкости, динамического напряжения сдвига и статических напряжений сдвига в широком температурном диапазоне [1].
В связи с этим разработка термостабильных утяжеленных РУО с плоским реологическим профилем является актуальной задачей, направленной на повышение надежности бурового процесса, снижение гидравлических рисков и обеспечение стабильной работы бурового раствора в условиях высоких температур и давлений.
Материалы и методы исследования
Разработка бурового раствора проводилась с целью получения термостабильной системы на углеводородной основе с заданной плотностью и плоским реологическим профилем. На текущем этапе исследований выбран путь формирования бурового раствора с использованием органофильной глины и стандартного барита за счет специализированного пакета химических реагентов, обеспечивающих стабилизацию реологических параметров в широком диапазоне температур и давлений.
При приготовлении бурового раствора (табл. 1) использовали синтетическую углеводородную. Компоненты вводили последовательно при постоянном перемешивании на лабораторном миксере Hamilton. Для оценки термостабильности системы проводили термостарение бурового раствора в динамическом режиме в течение 16 часов при температуре 120 °С.
ТАБЛИЦА 1. Рецептура бурового раствора
После выдержки раствор дополнительно перемешивали для удаления вовлеченного воздуха, после чего определяли его основные технологические параметры.
Исследование поведения бурового раствора в условиях АВПД и АВПТ проводили с использованием HTHP-вискозиметра высокого давления fann77. Реологические параметры измеряли при различных сочетаниях температуры и давления. Программа испытаний включала температуры 20, 60, 100 и 120 °С при давлениях 75, 150 и 225 атм, а также температуры 60, 100 и 120 °С при давлении 300 атм. Такой подход позволял оценить влияние термобарических условий на изменение реологического профиля бурового раствора.
Для оценки устойчивости системы к загрязнению выбуренной породой дополнительно проводили испытания с введением API-глины в концентрациях 3 и 6 %. После загрязнения растворы подвергали перемешиванию и последующему исследованию реологических характеристик.
Результаты исследования и их обсуждение
Разработанная система РУО плотностью 1,45 г/см³ продемонстрировала плоский реологический профиль при атмосферном давлении как до, так и после термостарения при 120 °С в течение 16 часов (рис. 1). После термостарения пластическая вязкость изменялась в диапазоне от 42,7 сП при 25 °С до 17,4 сП при 85 °С, при этом коэффициент температурного разжижения составил 2,45. Значения динамического напряжения сдвига, параметров R3, R6 и LSYP сохранялись в ограниченном диапазоне и не демонстрировали резкого снижения при повышении температуры (табл. 2).
ТАБЛИЦА 2. Исследование параметров РУО при атмосферном давлении
РИСУНОК 1. Реологический профиль исследуемого РУО при атмосферном давлении
При давлениях от 75 до 300 атм и температурах до 120 °С пластическая вязкость закономерно снижалась, однако параметры ДНС, R3, R6 и LSYP оставались стабильными (рис. 2).
РИСУНОК 2. Реологический профиль исследуемого РУО в условиях АВПД и АВПТ
Дополнительные испытания показали высокую устойчивость системы к загрязнению оценочной базовой глиной API. При введении 3 и 6% твердой фазы реологические параметры критически не изменялись и сохранялся плоский реологический профиль (рис. 3). Даже при 6 % загрязнения система сохраняла устойчивость и контролируемое изменение реологических характеристик в исследуемом температурном диапазоне.
РИСУНОК 3. Исследование реологического профиля загрязненной базовой рецептуры исследуемого РУО
Полученные результаты показывают, что разработанная система РУО формирует плоский реологический профиль в широком диапазоне температур и давлений, в отличие от традиционных РУО, для которых характерно резкое и неконтролируемое изменение реологических параметров при повышении температуры и давления. Разработанная система бурового раствора соответствует современным представлениям о растворах с плоским реологическим профилем.
Ключевую роль в формировании плоского реологического профиля играет специализированный пакет реагентов, включающий эмульгатор NeoInvert K2 ECD и регулятор реологии NeoInvert Mod ECD.
Эмульгатор NeoInvert K2 ECD обладает термостабильностью до 180 °С. Гидрофобная часть молекулы эмульгатора усилена за счет введения более протяженных и разветвленных фрагментов в рамках базовой структуры NeoInvert K2. Это позволяет снизить вероятность щелочного гидролиза термочувствительных участков молекулы при высоких температурах за счет стерических факторов.
Также роль в стабилизации системы бурового раствора выполняет регулятор реологии NeoInvert Mod ECD, состоящий из нескольких компонентов с различной температурной чувствительностью и обеспечивающий контролируемое изменение реологических параметров.
Компонент № 1 до термостатирования практически не влияет на реологические параметры бурового раствора. При термостатировании его молекулы претерпевают структурную перестройку и переходят в раскрытое конформационное состояние, что способствует формированию пространственно организованных структур.
Компонент № 2 благодаря высокой молекулярной массе и разветвленной структуре способен повышать вязкостные свойства до термостатирования.
Рост или стабилизация параметров R3 и R6 при повышении температуры и давления имеет важное инженерное значение. Данные параметры бурового раствора характеризуют способность бурового раствора удерживать барит и транспортировать выбуренную породу. Сохранение этих характеристик при высоких температурах и давлениях указывает на снижение риска седиментации барита, образования шламовых подушек и ухудшения очистки ствола скважины.
Испытания с загрязнением оценочной базовой глиной API показали высокую устойчивость системы к поступлению твердой фазы. Введение 3 и 6 % глины не приводило к ухудшению реологических параметров бурового раствора. Напротив, в ряде случаев наблюдалась дополнительная стабилизация реологических параметров. Вероятно, это связано с взаимодействием специализированного пакета реагентов с глинистой фазой.
Таким образом, разработанный подход позволяет формировать РУО с устойчивым и контролируемым реологическим поведением, способным сохранять несущую способность бурового раствора в условиях высоких пластовых температур.
Выводы
-
Разработан пакет специализированных реагентов (NeoInvert K2 ECD, NeoInvert Mod ECD), обеспечивающих формирование плоского реологического профиля рецептуры РУО плотностью 1,45 г/см³ в диапазоне 20–120 °C и 0–300 атм.
-
Показано, что при росте температуры и давления реологические параметры R3 и R6 возрастают, что положительно влияет на выносящую способность бурового раствора и седиментационную стабильность.
-
Доказана устойчивость бурового раствора к загрязнению твердой фазой до 6 %.
1. Соловьев А.Д., Кожевников Р.О., Машаров М.Т., Филимонов В.О., Крыворученко В.В., Галеев А.Р., Бурцева Ю.Е. Разработка утяжеленного термостабильного РУО с плоским реологическим профилем // Neftegaz.RU. – 2025. – № 6. – С. 120–124.
2. Меденцев С.В. Стабилизация реологического профиля буровых растворов на углеводородной основе // Территория Нефтегаз. – 2010. – № 10. – С. 28–30.
