Классификация скважин, способы бурения, проектирование наножидкостей для бурения глубоких наклонных и горизонтальных скважин в условиях высоких температур и давлений. Создание новых материалов для покрытия долот и оборудования

НАНОТЕХНОЛОГИИ В НЕФТЕГАЗОВОМ ХОЗЯЙСТВЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ В ОБЛАСТИ БУРЕНИЯ Классификация скважин, способы бурения, проектирование наножидкостей для бурения глубоких наклонных и горизонтальных скважин в условиях высоких температур и давлений. Создание новых материалов для покрытия долот и оборудования Лекция 5 2 ПОНЯТИЕ О СКВАЖИНЕ Скважина представляет собой цилиндрическую горную выработку, сооружаемую с помощью специальных инструментов (без доступа в нее человека). Скважина характеризуется большой длиной и малым диаметром. У скважины (а) различают устье 1, ствол 2 и забой 3. Цилиндрическая поверхность ствола называется стенкой скважины. Схема скважины В законченном виде скважина представляет собой капитальное сооружение в земной коре (б), предназначенное для извлечения жидких и газообразных полезных ископаемых. Стенки скважины крепят обсадными трубами 5, пространство между трубами и стенкой скважины заполняют цементным либо другим раствором 6, который, затвердев, изолирует пласты горных пород один от другого, а трубы от коррозии. Против продуктивных пластов в трубах и цементном камне выполняются отверстия 7 (фильтр) для гидравлического сообщения пласта со скважиной. Первые обязательные колонны называются направлением и кондуктором. Последующие колонны – промежуточные. На фланце 4 последней колонны, называемой эксплуатационной, подвешивают нефтегазопромысловое оборудование, спускаемое в скважину, и монтируют устьевое оборудование. 3 КЛАССИФИКАЦИЯ СКВАЖИН Эксплуатационные скважины строятся для добычи нефти и газа. Их дебит по нефти (объем в единицу времени) от 0,5 до 5 тыс. т в сутки, по газу – от 100 тыс. м3 до 2-3 млн м3 в сутки. Диаметр эксплуатационной колонны составляет 114–219 мм, наибольший диаметр долот, с которым начинают бурить под направление, – 560 мм. Наибольшая на сегодня глубина, с которой практически добывается нефть и газ, – около 7 км. Срок работы эксплуатационных скважин должен быть не менее срока разработки месторождения и практически составляет 30–60 лет. Нагнетательные скважины предназначены для закачивания в продуктивные горизонты воды или природного газа, воздуха, пара с целью поддержания (или повышения) пластового давления и продления фонтанного периода разработки месторождений, увеличения дебита эксплуатационных скважин, снабженных насосами или воздушными подъемниками. Разведочные скважины бурятся для выявления продуктивных горизонтов, оконтуривания продуктивных залежей; для испытания, пробной эксплуатации и оценки промышленного значения открытых месторождений; для непрерывного наращивания объема разведанных запасов. 4 КЛАССИФИКАЦИЯ СКВАЖИН По конструктивным особенностям в нефтегазовой промышленности выделяют скважины: а) по числу обсадных колонн – одноколонные, многоколонные; б) по числу эксплуатационных колонн – однорядные, многорядные. По числу забоев выделяют скважины: а) с одним забоем и одним стволом; б) многозабойные скважины с несколькими ответвлениями от « основного» ствола для увеличения области дренирования продуктивного пласта. По положению оси скважины в пространстве выделяют скважины: а) вертикальные; б) наклонные; в) горизонтальные; г) искривленные. По диаметру долота для бурения под эксплуатационную колонну в нефтегазовой промышленности выделяют: а) скважины нормального диаметра (долотом диаметром 215,9 мм) б) уменьшенного диаметра (долотом 190,5 мм); в) малого диаметра (долотом менее 190,5 мм). 5 СПОСОБЫ БУРЕНИЯ Наиболее распространена классификация по способам разрушения горных пород: • механический, • гидромеханический, • взрывной, • огневой, • электро-гидродинамический, • магнито-стрикционный и др. При бурении скважин часто применяется наиболее эффективное механическое разрушение горных пород, сочетающееся с активными физико-химическими и гидродинамическими воздействиями промывочной жидкости. Механическое разрушение горных пород реализовано во вращательном и ударном бурении скважин Ударное бурение подразделяется по типу бурового инструмента на ударноштанговое и ударно-канатное. Вращательное бурение подразделяется по способу привода долота во вращение на роторное — привод с устья и бурение забойными двигателями (турбинное, бурение электробуром на трубах, электробуром на кабель-канате, бурение гидравлическими винтовыми забойными объемными двигателями). 6 УДАРНОЕ БУРЕНИЕ Ствол скважины создается периодическими ударами долота по забою под действием собственного веса и тяжелой ударной штанги. Приподнимание долота и ударной штанги, прикрепленных к штангам (ударное штанговое бурение) или инструментальному канату (ударное канатное бурение), осуществляется балансиром бурового станка. Кривошипно-шатунный механизм 10, 12 приводит в движение балансирную раму 13, при опускании которой оттяжной ролик 14 натягивает инструментальный канат 11 и поднимает долото 1 над забоем на 0,05–1,5 м. Инструментальный канат 11 сматывается с инструментального барабана. Инструмент (буровой снаряд) канатного бурения кроме долота 1 и ударной штанги 2 массой 1–2 т, каната и канатного замка 6 для их соединения включает раздвижную штангу 5 (ясс, самопад) и расширитель 3. Очистка забоя скважины от шлама осуществляется по мере его накопления периодически с помощью устройства, называемого желонкой 8. Желонка состоит из цилиндра и поршня, оборудованных обратными клапанами 7, 9. 7 УДАРНОЕ БУРЕНИЕ Способ разрушения горных пород периодическими ударами с частотой от 10–20 до 100–150 в минуту при длительности собственного удара всего в десятые и сотые доли секунды дает возможность сосредоточивать в контакте с породой большие мощности и разрушать практически любую по твердости породу из осадочного комплекса при малой мощности привода бурового станка. Однако вследствие низкой частоты ударов скорости проходки невелики — не более нескольких метров в час. Попытки усовершенствовать ударное бурение за счет применения непрерывной циркуляции жидкости для очистки забоя приводили к существенному усложнению оборудования и удорожанию его эксплуатации, лишали ударное бурение и другого преимущества перед вращательным — более высокого качества вскрытия продуктивных нефтяных пластов, поэтому выпускаемые у нас станки ударноканатного бурения для других отраслей промышленности не предусматривают непрерывную циркуляцию бурового раствора, имеют небольшую массу и предназначены для бурения на глубину менее сотни метров. В США есть опыт применения ударного бурения лишь для вскрытия нефтяных пластов, когда весь основной ствол бурится вращательным способом (комбинированное последовательное ударно-вращательное бурение). 8 ВРАЩАТЕЛЬНОЕ БУРЕНИЕ При этом способе бурения горная порода на забое разрушается вращающимся долотом, на которое передаются осевая нагрузка и крутящий момент. Разрушенная порода удаляется с забоя потоком жидкости, непрерывно подаваемой по колонне бурильных труб. Крутящий момент на долото передается или с поверхности от вращателя (ротора) через колонну бурильных труб (роторное бурение), или от забойного двигателя (турбобура, электробура, винтового бура), установленного непосредственно над долотом. Схема установки для бурения глубоких скважин 9 ВРАЩАТЕЛЬНОЕ БУРЕНИЕ На долото диаметром 215,9 мм создается нагрузка около 100–250 кН. Крутящий момент в процессе бурения в зависимости от типа долота (шарошечное, алмазное и т.д.) и свойств пород (твердые, мягкие, пластичные) при диаметре скважины 215,9 мм составляет от 1 до 3 кНм. Частота вращения долота: • при роторном бурении составляет 20–200 об/мин, • при бурении винтовыми двигателями — 150–250 об/мин, • турбинном и электробурении без редуцирования — 250–800 об/мин, • при бурении турбобурами и электробурами с редуктором — 200–300 об/мин. При общей установленной мощности буровых установок для бурения на глубину до 4500 м в 1000-1500 кВт на долото передается около 50–200 кВт при изменении глубины от 0 до 4500 м. 10 ВРАЩАТЕЛЬНОЕ БУРЕНИЕ Преимущество перед ударным бурением: гораздо более высокие скорости проходки, достигающие 100 м в час при бурении пород средней твердости и мягких Подаваемый для очистки забоя буровой раствор совершает непрерывный кругооборот-циркуляцию. В качестве бурового раствора используются: • вода, • естественные растворы, образующиеся из шлама и подаваемой с поверхности воды, с добавлением химических реагентов, пластовых вод; • глинистый раствор; • нефтеэмульсионный раствор; • раствор на нефтяной (углеводородной) основе; • вода, смешанная с воздухом ( аэрированная); • пена; • воздух; • природные газы и их смеси с отработанными газами двигателей внутреннего сгорания (ДВС); • утяжеленные растворы плотностью до 2400 кг/м3 и др. 11 ВРАЩАТЕЛЬНОЕ БУРЕНИЕ Для смены изношенного долота производится подъем бурильной колонны, а затем ее спуск с новым долотом. Спуск и подъем бурильного инструмента, спуск обсадных колонн осуществляется с помощью подъемного оборудования — вышки, лебедки, полиспастовой (талевой) системы, подъемного крюка. Для удобства изготовления, эксплуатации и транспортирования бурильные трубы выпускаются длиной не более 12 метров, для ускорения спускоподъемных операциях (СПО) в глубоком бурении целесообразно поднимать (опускать) инструмент, расчленяя его на части, включающие 2– 4 трубы, называемые свечами. В зависимости от объема СПО применяют свечи длиной 25 и 37 м, соответственно вышки высотой 41 и 53 м. Грузоподъемность вышки и другого оборудования определяется массой бурильной колонны с запасом на возможные осложнения, затяжки и заклинивания инструмента в скважине. Вышки для бурения на 4500 м имеют грузоподъемность около 200 т. 12 УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ Совершенствование бурения электробуром происходит за счет перехода на постоянный ток, обеспечивающий удобство регулирования крутящего момента и частоты вращения, надежность сети питания. Роторное бурение позволяет иметь на долоте крутящий момент, больший, чем при других способах бурения, соответственно, большей может быть осевая нагрузка, возможно более эффективное разрушение пластичных пород, в том числе пород абразивных. В роторном бурении бурильная колонна работает в напряженных условиях, быстрее наступает усталостное разрушение, скорее изнашивается, соответственно, необходимо повысить прочность и износостойкость всех элементов бурильной колонны. Для успешного вращательного бурения требуется улучшить промывочные жидкости, технологии вскрытия пластов и предупреждение осложнений, крепления скважин. Проблемой, требующей скорого решения, является создание стальных труб, пригодных для работы в агрессивных средах, в условиях сероводородной агрессии, и легкосплавных труб, работающих в условиях магнезиальной коррозии и повышенных температур. 13 ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ БУРЕНИЯ Функциональные системы породоразрушающих инструментов делятся на четыре группы, которые рассмотрены ниже на примере двух принципиально разных конструкций породоразрушающих инструментов (долот), показанных на рисунке 5.1. 1) корпус 1 с присоединительной резьбой 2, предназначенный для размещения всех систем инструмента и присоединения его к бурильным трубам или к валу забойного двигателя; 2) вооружение в виде режущих элементов 3 (рис. 5.1 а) или инденторов (рис. 5.1 б), непосредственно взаимодействующих с горной породой при бурении; 3) система промывки забоя, очистки и охлаждения деталей породоразрушающих инструментов (на рис. 5.1 видны гидромониторные насадки 4 системы промывки); 4) опоры шарошек и система смазки 5 подшипников опоры (в случае шарошечных породоразрушающих инструментов). 14 КЛАССИФИКАЦИЯ ПОРОДОРАЗРУШАЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА Породоразрушающие инструменты по общему назначению делятся на три группы: 1) долота – для бурения сплошным забоем; 2) бурильные головки – для бурения кольцевым забоем с отбором керна (образцов горных пород, проходимых скважиной); 3) инструменты специального назначения (вспомогательные инструменты). 15 КЛАССИФИКАЦИЯ ПОРОДОРАЗРУШАЮЩЕГО ИНСТРУМЕНТА Каждая группа породоразрушающих инструментов по принципу воздействия на забой делится на четыре подгруппы: 1) режуще-скалывающего действия (РС) – вооружение выполняется в виде лопастей со сплошной режущей кромкой, которая во время бурения находится в постоянном контакте с разрушаемой горной породой; 2) режуще-истирающего действия (РИ) – вооружение выполняется в виде резцов или элементов других форм, выступающих над поверхностями лопастей, секторов или шарошек и образующих гребенчатую режущую систему, которая во время бурения находится в постоянном или длительном периодическом контакте с забоем (рис. 5.1 а); 3) дробяще-скалывающего действия (шарошечные) – вооружение выполняется в виде фрезерованных зубьев или вставных зубков, размещенных на шарошках, и во время бурения каждый элемент имеет кратковременный периодический контакт с забоем (рис. 5.1 б); 4) дробящего действия, которые предназначены для ударного бурения (применяются редко). 16 МАТЕРИАЛЫ ВООРУЖЕНИЯ ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ 1) Сталь Легированные среднеуглеродистые стали (например, 15Н3МА) используют только для шарошечные породоразрушающих инструментов, предназначенных для разбуривания неабразивных горных пород. 2) Твердый сплав Твердый сплав ВК4, ВК8, ВК11 на основе карбида вольфрама (WC) и кобальта (Со) является одним из самых распространенных материалов для вооружения и армирования рабочих элементов породоразрушающих инструментов. Синтетические алмазы используются при оснащении инструментов для разбуривания мягких горных пород и горных пород средней твердости, для разбуривания твердых горных пород оснащаются натуральными алмазами. 4) Сверхтвердый композиционный материал 3) Алмаз Сверхтвердых материалов включает в качестве основных частей карбид вольфрама и синтетические алмазы в виде зерен размером от 0,2 до 1 мм и изготавливается методами порошковой металлургии. 17 СИСТЕМЫ ПРОМЫВКИ ДОЛОТ Промывка забоя скважины при вращательном бурении – обязательный технологический процесс. Она предназначена для очистки забоя от выбуренной горной породы (шлама), охлаждения и очистки элементов долота. Центральная система промывки выполняется в долотах, предназначенных для разбуривания твердых и крепких горных пород при высокооборотном бурении (при вращении долота турбобуром). Гидромониторная (боковая) система промывки шарошечного долота - струи жидкости здесь направляются непосредственно на периферию забоя между дополнительными конусами шарошек, а скорость истечения из насадок vи > 60 м/с. 18 ПРИМЕРЫ РОЛИКОВЫХ ДОЛОТ, ОСНАЩЕННЫХ ЦЕМЕНТИРОВАННЫМ КАРБИДОМ Долото с конусными роликами Долота с тремя конусами, оснащенные долотами с коническими роликами в качестве показано на панели a Долото с цилиндрическими роликами Долота с дисковыми роликами Режущая головка машины для строительства щита, Расширительная головка для подъемной системы оснащенной дисковым бурения, оснащенная цилиндрическим роликовым роликовым долотом, как долотом, как показано на панели b показано на панели c 19 НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ ДЛЯ БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА Наноструктурированный цементированный карбид относится к ультрамелкозернистому цементированному карбиду с размером зерна WC менее 250 нм. С уменьшением размера зерна WC до нанометрового масштаба значительно повышается твердость, прочность и трибологические свойства сплава. Наиболее распространенные методы синтеза наноразмерных порошков WC / WC-Co: • высокоэнергетическое измельчение в шаровой мельнице (HEBM) - после 10-часового измельчения в шаровой мельнице с этанолом размер зерна WC при скорости вращения 250 об/мин уменьшается с 6 мкм до 11 нм, при этом гранецентрированный кубический (ГЦК) кобальт был преобразован в результате деформации в гексагональный плотноупакованный (ГПУ). • конверсия распылением (SCP) – 1) приготовление и смешивание подходящего исходного раствора; 2) распылительная сушка с образованием химически однородного порошка (в том числе в жидком азоте); 3) термохимическое превращение прекурсора в псевдоожиженном слое в нанофазный композитный порошок. Наноразмерные (20-30 нм) порошки WC-10Co получены методом распыления из раствора, содержащего (NH4)6(H2W12O40)·4H2O и Co(NO3)2, с последующим окислением, восстановлением и карбонизацией. • химический синтез в паровой фазе (CVS) - реакция газа соли вольфрама (гексахлорида вольфрама (WCl6), гексафторида вольфрама (WF6) или паравольфрамата аммония) с углеводородным газом (метаном) и восстановительным газом (водородом) для получения наноразмерных порошков WC . 20 УМЕНЬШЕНИЕ РАЗМЕРОВ ЗЕРНА ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ Главной проблемой является предотвращение значительного укрупнения зерен WC во время жидкофазного спекания плотных наноструктурированных цементированных карбидов в диапазоне температур 1400–1500°C, в котором металлическое связующее находится в расплавленном состоянии. На рис. показаны изменения формы кристаллов и размеров зерен наноразмерных и микронных порошковых компактов WC-Co во время нагрева. Чтобы уменьшить укрупнение зерна WC во время спекания используют много новых методов спекания для консолидации наноструктурированных цементированных карбидов: спекание горячим прессованием (HP), горячее изостатическое прессование (HIP), микроволновое спекание (MWS), спекание импульсным электрическим током (PECS), спекание с высокочастотным индукционным нагревом (HFIHS), спекание в импульсной плазме (PPS), быстрое электрическое спекание под давлением (PAFES) и искровое плазменное спекание (SPS). Такие методы характеризуются высокой скоростью нагрева и более коротким временем уплотнения даже при более низкой температуре, что благоприятно для уменьшения роста зерен во время спекания цементированных карбидов. 21 ПОВЫШЕНИЕ ПРОЧНОСТИ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ УВЕЛИЧЕНИЕМ ВЯЗКОСТИ Вязкость - это способность материала поглощать энергию в процессе деформации до полного разрушения. Вязкость можно увеличить, если удастся затормозить или уменьшить инициирование или распространение трещин. Есть несколько способов достижения этой цели: (1) сделать ударную вязкость фаз пластичной, т.е. добавить некоторые пластичные фазы (металлы) в керамические матрицы; (2) использовать ударную пластичность нанофаз, основанную на преломлении трещин или их разветвлении, или скольжении вдоль границ зёрен; (3) использовать ударную пластичность многослойных структур, основанную на чередовании многочисленных хрупких и вязких тонких слоев; (4) создать условия для развития волокнистой или нанотрубчатой ударной вязкости, основанной на мостиковой связи или расфокусировке трещин; (5) использовать ударную вязкость, при которой часть поглощенной энергии затрачивается на фазовые превращения; (6) использовать ударную вязкость при сжимающих напряжениях, что препятствует началу образования трещин путем их залечивания. 22 СПОСОБЫ УЛУЧШЕНИЯ СВОЙСТВ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ Применение ингибиторов роста зерен (карбиды переходных металлов VC, Cr3C2, Mo2C и TiC). Из них VC и Cr3C2 считаются наиболее эффективными из-за их более высокой растворимости и подвижности в кобальтовой фазе при низких температурах. Формирование двухфазного карбида, который обычно характеризуется трехзонной структурой: 1) зоной с дефицитом кобальта на поверхности для обеспечения высокой износостойкости, 2) богатой кобальтом зоной в промежуточном слое, чтобы дать цементированный карбид с высокой прочностью, 3) зоной с дефицитом углерода в сердечнике для обеспечения баланса свойств. 23 СПОСОБЫ УЛУЧШЕНИЯ СВОЙСТВ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ Никель является многообещающим кандидатом среди всех связующих металлов из-за его хорошей смачивающей способности к WC и гораздо более высоких характеристик стойкости к эрозии к химическому воздействию карбидов WC-Ni, чем у карбидов WC-Co. Формирование твердых сплавов с карбидной связкой, которые представляют собой твердые сплавы на основе WC, консолидированные карбидами TiC, Mo2C, VC и т.д., которые действуют как связующая фаза без добавления какого-либо металлического связующего. 24 СВЕРХТВЕРДЫЕ ПОКРЫТИЯ Для повышения свойств твердых сплавов наносят покрытия с более высокой твердостью. 25 СВЕРХТВЕРДЫЕ ПОКРЫТИЯ Классификация нанокомпозитов по твердости и вязкости Существует критическая величина характерного размера кристаллита dc  10 нм, при которой может быть достигнут максимальная твёрдость Hmax. Наличие такого характерного размера нанокристаллов, при котором твёрдость нанокомпозитных покрытий или плёнок максимальна, обусловлено тем, что вблизи значения dс происходит непрерывный переход от микроскопических процессов зарождения и движения дислокаций (при d > dс). описываемый известным законом Холла-Нетча Н ~ d-1/2 для обычных поликристаллических материалов, к межкристаллитным процессам локальною проскальзывания по границам зёрен и фаз (при d < dс). 26 СТРУКТУРА НАНОКОМПОЗИТОВ Наиболее часто изучаемой системой является Ti-Si-N. Были получены сверхтвёрдые покрытия Тi-Si-N методом плазменной (РCVD) с использованием хлоридов как источника Ti и Si. Увеличение твёрдости приписывали осаждению малых частиц Si3N4 в пределах нанокристаллов ТiN. Максимальная твёрдость 60-70 ГПа, достигается благодаря тройной структуры пс-ТiN/a-Si3N4/а-ТiSi2 этих покрытий (здесь пс- и а- означают нанокристаллический и аморфный соответственно). 27 СВЕРХТВЕРДЫЕ ПОКРЫТИЯ Примеры сверхтвердых покрытий, большинство из которых получено методом магнетронного распыления 28 СВЕРХТВЕРДЫЕ ПОКРЫТИЯ 29 АЛМАЗНЫЕ ПОКРЫТИЯ ДЛЯ БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА Среди сверхтвёрдых материалов, используемых для нанесения на буровой инструмент, наиболее известны поликристаллический алмазный композит PDC (Polycrystalline Diamond Compact) и поликристаллический кубический нитрид бора PсBN. Стоимость долот, оснащенных PDC-резцами с алмазным режущим покрытием, составляет несколько процентов от общей стоимости скважины. Для увеличения рабочего ресурса подшипников скольжения их поверхность выстилают PDC-алмазными элементами, имеющими низкий коэффициент трения. Алмазные композитные инструменты представляют собой многокомпонентную систему, требующую качественного выполнения её составляющих, которые включают в себя: а) алмазные зёрна, б) связующие фазы, используемые в процессе спекания режущих PDC-элементов, с) переходной слой между алмазными элементами и корпусом инструмента. PDC-структуры состоят из алмазных кристаллических зёрен, сросшихся между собой при участии металлического «катализатора», которым обычно служит кобальт. Он же связывает PDC-пластину с подложкой из карбида вольфрама. Однако кобальт расширяется гораздо больше, чем алмаз, и разрушает PDC. Во-вторых, при нагреве кобальт графитизирует алмаз. 30 ТЕХНОЛОГИИ СИНТЕЗА НАНОАЛМАЗОВ 31 КЛАССИФИКАЦИЯ НАНОАЛМАЗОВ Классификация НД (нанокристаллические, ультрананокристаллические и алмазоиды) в зависимости от размера, который определяется конкретной стратегией синтеза с соответствующим управлением процессом. 32 НАНОАЛМАЗНЫЕ ПОКРЫТИЯ Способ формирования ПКА-покрытия состоит из нескольких стадий: 1) очистки поверхности резца пескоструйной обработкой, удаления катализатора (кобальта) из поверхностного слоя резца; 2) плазменного травления поверхностного слоя резца в смеси газов (кислород-водород-аргон), 3) покрытия резца в плазменном реакторе CVDосаждения первым слоем алмаза с использованием второй смеси (4 % по объему метана в водороде) при поддержании температуры поверхности резца в течение определенного периода времени, 4) финишного этапа — покрытия резца вторым слоем наноалмаза (с добавлением 10 % содержания азота по отношению к метану) при поддержании температуры поверхности резца в течение определенного периода времени, достаточного для образования второго слоя алмазов. Износ PDC-резца с начальной глубиной травления Со 200 мкм и с ПКА-покрытием двумя слоями по 50 мкм и слоем наноалмаза 5 мкм (общая толщина покрытия составляет 115 мкм) (кривая 4) в 5 раз меньше, чем износ без покрытий резца с глубиной травления Со 200 мкм (кривая 2). 33 НЕДОСТАТКИ АЛМАЗНЫХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ БУРОВЫХ ДОЛОТ Повышенный износ PDC-резцов при высоких температурах : 1) Ниже 750 °С - выкрашивание зёрен алмаза. 2) Выше 750 °С - более жесткий режим износа из-за напряжений, возникающих не только в результате различий в коэффициентах теплового расширения (КТР) между алмазом и остаточными включениями металла-связки по границам алмазных зерен, 3) Выше 800 °С - химическая реакция алмаза с кобальтом, превращающей алмаз в графит. Наноалмазы имеют более высокую стоимость (табл. 5), чем поликристаллические алмазы (табл. 4), поэтому их использование может быть экономически нецелесообразно. 34 БУРОВЫЕ РАСТВОРЫ Назначение бурового раствора: 1. Смазывает бур, чтобы предотвратить ее перегрев. 2. Поддерживает баланс давления между пластовым флюидом и стволом скважины. 3. Удаляет буровой шлам из скважины и поднимает его на поверхность. 4. Помогает в зональной изоляции и контроле пластового давления. 5. Поддерживает стабильность ствола скважины. Уменьшение количества скважин с низкими давлением и температурой создает необходимость бурения в условиях HPHT (high pressure, high temperature - высокие давление и температура). В процессе бурения часть раствора может уходить в грунт через стенки скважины. Данный процесс может привести к нарушению целостности ствола скважины, к прихвату инструмента. Происходящие по этим причинам аварии несут угрозу выхода из строя оборудования, ущерба экологии, причинения вреда здоровью и жизни персоналу. Кроме того, возможно ухудшение коллекторных свойств продуктивного пласта, что впоследствии приводит к снижению дебита. 35 БУРОВЫЕ РАСТВОРЫ Тип бурового раствора на водной, масляной или синтетической основе выбирается на основе характеристик скважины и реакций бурового раствора с различными пластами в процессе бурения. Во время операций бурения на репрессии (давления столба жидкости в скважине выше пластовое давление) буровой раствор перемещается в проницаемые пласты из-за разницы между пластовым давлением и давлением в стволе скважины, что приводит к нежелательным повреждениям и снижению продуктивности. Со временем поры закупориваются, и по мере того, как жидкость фильтруется в пласт, образуется глинистая корка. A. Давление бурового раствора больше пластового B. Пластовое давление и давление в стволе скважины равны C. Неравномерная плотность бурового раствора вдоль стенки ствола скважины 36 КОНТРОЛЬ ПОТЕРЬ ЖИДКОСТИ Для герметизации пор породы используются различные мелкодисперсные частицы (размером 1-100 мкм), однако для пород с низкой проницаемостью (размер пор 0,1-1 мкм) они оказываются неэффективными. Эту проблему может решить добавление частиц с размером менее 100 нм. Улучшенный буровой раствор с использованием наночастиц, таких как нанокомпозиты TiO2/полиакриламид, в качестве добавки к исходной жидкости показал улучшение контроля водоотдачи около 64%. Оптимальная концентрация наножидкостей обычно составляет около 1 масс.%, что приводит к значительному снижению потерь жидкости. 37 СРАВНЕНИЕ СТОИМОСТИ КОМПОНЕНТ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ Добавление наночастиц многократно увеличивает стоимость простейшего бурового раствора. Их использование может быть оправдано при применении более дорогих флюидов, имеющих, как правило, углеводородную основу или при реальной угрозе аварии от фильтрационных потерь. 38 СТАБИЛЬНОСТЬ СТВОЛА СКВАЖИНЫ Наножидкости обладают потенциалом улучшения стабильности ствола скважины. Добавление наночастиц к буровым растворам способствует снижению притока воды и проникновения порового давления в образцы сланца. Наночастицы, присутствующие в наножидкостях, способны закупорить поры в образцах сланца и предотвратить проникновение жидкости. Размер частиц в наножидкости не должен превышать одну треть диаметра порового канала для достижения максимальной эффективности закупоривания пор сланца. Успешное закупоривание пор сланца во многом зависит от правильного выбора размеров наночастиц. Увеличение концентрации наночастиц снижает передачу порового давления, что приводит к повышению стабильности ствола скважины. Положительный эффект включения наночастиц в буровой раствор на распространение порового давления показан на рисунке. 39 СНИЖЕНИЕ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ ПОТЕРЬ Диаграмма лучших результатов относительного снижения потерь раствора при использовании различных типов наночастиц. 40 УДАЛЕНИЕ ТОКСИЧНЫХ ГАЗОВ И ПОВЫШЕНИЕ ВЯЗКОСТИ Удаление токсичных газов: наночастицы также используются для удаления токсичных газов, таких как H2S (сероводород), из буровых растворов. Эти газы попадают в буровой раствор в основном из скважинных пластов в процессе бурения. Сероводород, попадая в буровой раствор из пласта, вступает в реакцию с растворенным железом, образуя сульфид железа (FeS), что приводит к увеличению загрязнения окружающей среды и коррозии трубопроводов. Эффективно удалить сероводород из бурового раствора можно с помощью наночастиц оксида цинка. По сравнению с объемными частицами наночастицы удаляют количество токсичного вещества более чем в четыре раза быстрее. Повышение вязкости: буровые растворы с высокой вязкостью более эффективны, чем буровые растворы с низкой вязкостью при переносе бурового шлама. Повышение вязкости помогает очистке ствола скважины во время буровых работ. Добавление 10 масс.% кремнеземных наноматериалов в буровые растворы на водной основе улучшает их вязкость в условиях низкого давления и низких температур. 41 УДАЛЕНИЕ ОСТАТКОВ БУРОВОГО РАСТВОРА НА НЕФТЯНОЙ ОСНОВЕ Удаление остатков бурового раствора на нефтяной основе имеет первостепенное значение для повышения эффективности сцепления цементов для нефтяных и газовых скважин во время буровых работ. Успешное удаление направлено на уменьшение или устранение загрязнения жидкостей для заканчивания, используемых во время подготовки скважин к дебиту. Остаток, если его не удалить, может привести к чрезмерному образованию пленки в результате закупорки пор в целевом пласте, вызывая повреждение пласта. Текущая процедура, используемая для удаления остатков растворов, включает растворители и поверхностно-активные вещества. Использование растворителей для удаления остатков приводит к образованию больших объемов загрязненного растворителя, который не является экологически чистым. Более новый и более точный метод решения той же задачи - использование наноразмерных поверхностно-активных веществ в растворах высокой плотности, что приводит к образованию микроэмульсий при контакте с нефтью. Нанотехнология может быть использована для эффективного удаления остатков и увеличения смачиваемости породы с использованием меньшего количества растворов поверхностно-активных веществ, что приведет к повышению общей продуктивности скважины. 42 ЦЕМЕНТАЦИЯ Основная цель цементирования - добиться эффективной зональной изоляции. Цемент играет важную роль в защите обсадной колонны от коррозионных жидкостей в скважине. Цементная оболочка должна предотвращать миграцию нефти и газа из продуктивных пластов в неглубокие водоносные горизонты. Большие колебания температуры и давления могут привести к образованию радиальных трещин в цементе. Цементные растворы должны иметь низкие реологические свойства для использования в глубоководных средах. В скважинах высокого давления и температуры (HPHT) цементная система подвергается циклическим напряжениям, которые ослабляют цементное соединение обсадной колонны. В скважинах HPHT необходимо использовать цементы с низким модулем упругости. Прочность на сжатие - один из критериев оценки характеристик цементной оболочки. Цементная оболочка должна иметь минимальную прочность на сжатие 1,4106 кг/м2, чтобы выдерживать нагрузки во время добычи и стимуляции. Правильная цементная система не должна обладать усадкой, низкой потерей жидкости и быстрым ростом статической прочности геля для предотвращения краткосрочного притока газа. Структура гидратированного цементного раствора влияет на его механические свойства и проницаемость. Когда цемент находится в статическом состоянии, сила притяжения между его частицами измеряется прочностью геля. 43 ПРИМЕНЕНИЕ НАНОЧАСТИЦ ДЛЯ ЦЕМЕНТАЦИИ После успеха мезодобавок и микроволокон в повышении сопротивления разрушению цемента, в цементные системы стали добавлять наночастицы, поскольку их эффекты оказались полезными. Наноматериалы могут: • улучшить время схватывания цемента, • уменьшить его плотность, • повысить его ударную вязкость и прочность на сжатие, • действовать как нанонаполнители и снижать проницаемость, • помогать в развитии гидратации, действуя как центр зародышеобразования. Углеродные нанотрубки имеют в пять раз больше модуля упругости Юнга и в 100 раз превышают предел прочности стали. Для улучшения общих механических свойств цемента были добавлены углеродные нанотрубки и углеродные нановолокна. Оба наноматериала очень дороги. Недорогое углеродное нановолокно было изобретено для повышения долговечности цементных систем для нефтяных и газовых скважин. 44 ПРИМЕРЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ Наночастицы, используемые для улучшения качества цемента : • латекс для улучшения свойств водоотдачи и миграции газа; • галлуазит (глинистый минерал подкласса слоистых силикатов Al2Si2O5(OH)4 ) повышает предел прочности цемента на разрыв; • Nano Alumina в качестве ускорителя процесса загустения, также увеличивает прочность; • нанокремнезем SiO2 для снижения проницаемости и достижения ранней прочности на сжатие, уменьшения плотности. Нанокремнезем также можно использовать для преодоления ухудшения качества цемента, которое обычно происходит в скважинах HPHT, где температура превышает 132оС; • наноглина в качестве добавок, которые помогли снизить пористость и проницаемость; • УНТ для повышения прочности на сжатие; • нано-волокна из оксида алюминия для улучшения эластичных свойств и прочности цемента, а также для снижения его проницаемости. 45 НАНОЦЕЛЛЮЛОЗА Чтобы противостоять повреждениям, вызванным напряжениями, используют наноцеллюлозу для увеличения предела текучести в дополнение к улучшению реологических свойств цементного раствора. Наноцеллюлоза — материал, представляющий собой наноразмерные волокона целлюлозы. Типичная поперечный размер такого волокна — 5-20 нм, а продольный размер варьируется от 10 нм до нескольких микрон. 46 НАНОЦЕОЛИТЫ Наноцеолит, который имеет большую площадь поверхности по сравнению с его макроаналогом, может быть добавлен в цемент в качестве модификатора прочности на сжатие, чтобы уменьшить время ожидания цементирования и проницаемость, а также ускорить достижение прочности на сжатие. Это также нетоксичное соединение. Цеолит обладает высокой реакционной способностью по отношению к пуццолану и снижает количество Ca(OH)2, образующегося во время гидратации. Добавление цеолита, когда есть необходимость снизить эквивалентную циркулирующую плотность легкого цемента, показало, что использование цеолита в качестве добавки с уменьшением размера частиц цеолитной структуры приводит к увеличению прочности цемента на сжатие. 47 ПРЕОДОЛЕНИЕ УСАДКИ ЦЕМЕНТОВ Пористые структуры цемента остаются пустыми после осаждения, что создает более низкое давление в порах и, следовательно, приток в них воды. Когда это давление передается твердым телам, это приводит к объемной усадке цемент. Это явление приводит к нарушению сцепления и образованию микрокольцевиков. Усадку можно устранить, уменьшив поверхностное натяжение, которое снижает капиллярное давление. Способы снижения объемной усадки: • предложено внутреннее отверждение объемной усадки путем добавления внутренней воды, усадку можно преодолеть путем внутреннего отверждения с помощью суперабсорбирующих полимеров, для этих целей использовали наноглины. • добавлены волокна, чтобы уменьшить усадку, а также нано- и микрочастицы оксида кальция и магния. • частично насыщенные легкие добавки. • рекомендуется не использовать системы генерации газа, поскольку пузырьки газа могут агломерироваться и создавать каналы для жидкостей. Оксид магния (MgO) - лучшая добавка для преодоления усадки с сохранением механических свойств цемента! 48 ОГРАНИЧЕНИЯ ПО ПРИМЕНИНИЮ НАНОМАТЕРИАЛОВ В ЦЕМЕНТАХ Наноматериалы обычно добавляются менее чем в 1% от веса цемента. Основная причина этого заключается в том, что наноматериалы могут агломерироваться и терять свои характеристики. На цементе с высоким отношением воды к цементу, обычно на легком цементе, нельзя использовать наноматериалы. Кроме того, наноматериалы относительно дороги, поэтому даже если есть какой-либо наноматериал, который может показать свои характеристики после агломерации, желаемый продукт не будет экономичным. 49 ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА Технология бурения нефтяных и газовых скважин : учебник для студентов вузов. — В 5 т. Т. 1 / под общ. ред. В. П. Овчинникова. — Тюмень : ТюмГНГУ, 2014. — 568 с. Сечин Д.Ю. ПРИМЕНЕНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИЙ В НЕФТЕГАЗОВОМ БУРЕНИИ. Устойчивое развитие науки и образования. 2019. № 3. С. 258-265 Д.Д. Кожанов. Краткий обзор применения нанотехнологий в нефтегазовой области // Новые направления нефтегазовой геологии и геохимии. Развитие геологоразведочных работ: сб. науч. ст. / отв. ред. И. С. Хопта; Перм. гос. нац. исслед. ун-т; Пермь, 2017. — с. 170-177 Xiaoyong Ren, Hezhuo Miao, Zhijian Peng A review of cemented carbides for rock drilling: An old but still tough challenge in geo-engineering // Int. Journal of Refractory Metals and Hard Materials 39 (2013) 61–77