Регулирование плотности буровых растворов – методы увеличения плотности – утяжелители

Лекция 2. Регулирование плотности буровых растворов – методы увеличения плотности – утяжелители Необходимо осуществлять в случаях: • При встрече пород с резко отличающимся коэффициентом аномальности – повышенное внутрипластовое давление (АВПД); • Когда встречаются в разрезе неустойчивые глиносодержащие горные породы (Рб>Ргст). В этих случаях необходимо повышать плотность буровых растворов. Повышение плотности можно производить следующими путями: • Увеличением содержания глины; • Растворением солей в буровом растворе; • Вводом утяжелителей; Увеличением содержания глины: При этом сильно увеличивается эффективная вязкость бурового раствора. Если μэф выше 15 Па*с, то насос не прокачает. Т.е. при увеличении содержания глины (Соб) или плотности значительно увеличивается эффективная вязкость бурового раствора, следовательно, чем лучше глина по качеству, тем она менее пригодна для увеличения плотности бурового раствора, т.к. сильно растет μэф (см. для Na-бентонитового раствора). Однако, растворы с плотностью более 1,4 г/см3 даже путем добавления местных глин невысокого качества получить нельзя, поскольку растворы сильно загущаются и их нельзя прокачать с помощью насосов. Кроме того, увеличение содержания твердой фазы (Соб) слишком ухудшает работу долота при бурении. Например, если необходимо получить раствор с плотностью ρ = 1,35 г/см3, то для увеличения плотности до этой величины только добавлением глины ее содержание (твердой фазы) составит около 22% (далее проверим расчетом на практических занятиях). Если же увеличивать плотность бентонитового раствора баритом, то содержание общей твердой фазы (Соб) составит 13-14%. Т.е. это более выгодный вариант утяжеления раствора (). • Растворение солей – способствует увеличению плотности бурового раствора: NaCl до 1,2 г/см3 CaCl2 их растворение позволяет увеличивать плотность до 1,45 – 1,5 г/см3 ZnCl2 NaNO3 ZnBr2 1,44 – 1,92 до 2.0 г/см3 CaBr2 На основе трех солей: CaCl2 + CaBr2 +ZnBr2 до 2,3 г/см3 Этот способ увеличения плотности применяется при капитальном ремонте скважин. • Однако, ввод утяжелителей – это универсальный способ повышения плотности бурового раствора. Утяжелители – материалы с более высокой плотностью нежели глина. Виды утяжелителей 1. Барит BaSO4 – твердость 2,5 – 3,5 по шкале Мооса. Бывает: • Порошкообразный; • Влажный скомкованный. ТУ-39-126-76 Обладает относительно низкими абразивными свойствами (мало изнашивает оборудование и инструмент). Отечественный баритовый утяжелитель – это побочный продукт при флотации руд. Флотация руд (очевидно редкоземельных): барит имеет органофильные свойства – поэтому при флотации руд всплывает вместе с рудными частицами в водных растворах. Для флотации барит покрывается слоем флотореагентов. Промышленность выпускает модифицированный утяжелитель: • Это высушенный баритовый концентрат, обработанный в процессе производства триполифосфатом натрия (Na5P3О10 – гидрофилизирует поверхность барита – хорошо для утяжеления) (0,1 – 0,15%) по отношению к массе барита. Модифицированные барит без недостатков флотационно выпускается трех сортов (ТУ-39-118-75): I II III Плотность, г/см3 4,25 4,15 4,05 Содержание нерастворимых солей, % 0,3 0,35 0,45 Еще выпускается сорт плотностью до 4,48 г/см3. Обработка (модифицирование) барита Это позволяет • Гидрофильная поверхность барита; • Вода хорошо смачивает барит; • Частицы гидрофильные размером не более 2мкм как у глинистых частиц • Пузырьки воздуха не прилипают, т.к. поверхность гидрофильная; • Плотность из-за этого не уменьшается; • Вязкость не увеличивается; • Барит не смачивается нефтью и не флоккулируют частицы барита+нефть; • Десорбция флотореагентов (вещества гидрофобные) с поверхности частиц барита (которые гидрофобизировали барит для всплытия с флотореагентами при флотации). Механизм модифицирования барита заключается в прочном закреплении фосфатов бария на поверхности его частиц и ее гидрофилизации, а также нейтрализации вредного влияния флотореагентов, связывании Са+2, увеличении содержания фракций с размером частиц не менее 2 кмк (близких по размеру к глинистым частицам). Порошкообразный утяжелитель на 1/3 покрывает потребность в утяжелителях. После модифицирования поверхности барита пропадает его поверхности гидрофобизирующее действие (гидрофобизация поверхности барита нужна для их обработки флотореагентами – для всплытия гидрофобизированного барита при флотации) с наличием флотореагентов , она гидрофилизируется и пузырьки воздуха к поверхности модифицированного утяжелителя не прилипают (т.к. прилипание пузырьков к поверхности утяжелителя не дает ему хорошо смачиваться водой и сижается плотность раствора), а значит эффективность действия утяжелителя повышается. Кроме того, после модифицирования, утяжелитель не смачивается нефтью и не флоккулирует с выпадением его в осадок. При модифицировании его с помощью раствора триполифосфата натрия (Na5P3О10), который взаимодействует с баритом и на поверхности утяжелителя образуются фосфаты барита, которые обусловливают десорбцию флотореагентов с поверхности частиц. Гидрофилизация – поверхности утяжелителя осуществляется при вводе его в раствор УЩР, КМЦ, полиакрилатов по схеме: 2. Железистый утяжелитель Смесь: Fe203 (78%) – гематит FeO – (22%) – магнетит (магнетитовый железняк) Плотность: Гематит – плотность 5,0 – 5,3 г/см3, твердость 5-6 по шкале Мооса, абразивен. Магнетит – это и есть смесь Fe203 и FeO – 4,9 – 5,2 г/см3, твердость 5,5 – 6,5, сильные магнитные свойства. Недостатки: • Повышенная абразивность (велика твердость); • Наличие растворимых примесей – кремнезем (SiO2), глинозем (Al2O3); • Увеличивается опасность затяжек и прихватов бурильных труб: Предел утяжеляющей способности: • Добавка утяжелителя приводит к росту статического напряжения сдвига раствора СНС, его условной вязкости Т и показателя фильтрации Ф30; • Для устранения этого недостатка вводят химические реагенты – разжижители; • Наступает момент, когда рост плотности при добавке утяжелителя сравнивается с уменьшением его плотности при добавке реагентов – разжижителей – это предел утяжеляющей способности утяжелителя: ◦ При ρц = 4,2 г/см3 можно достичь ρр = 2,1 г/см3. ◦ При ρц = 4,0 г/см3 можно достичь ρр = 2,0 г/см3. • Предел утяжеляющей способности утяжелителя – это значение плотности утяжеленного бурового раствора, при котором увеличение его плотности за счет ввода утяжелителя сравнивается с уменьшением плотности этого раствора за счет добавок разжижителей – химреагентов; • Определяется экспериментально и зависит от плотности утяжелителя содержания и свойств твердой фазы химических реагентов в растворе. 3. Известняк (мел, известняк, мраморная пудра и др. – карбонат Са+2 – СаСО3). Плотность 2,7 г/см3. Применяется для утяжеления растворов до 1,5 г/см3 обладает низкой абразивной способностью повышает вязкость бурового раствора, поэтому при увеличении плотности свыше 1,5 г/см3 раствор теряют текучесть. Хорошо растворяется в кислотах при обработе коллекторов с целью увеличения нефтеотдачи пластов. 4. Пирит – серый колчедан. FeS2, плотность 4,9 – 5,2 г/см3, твердость 6,65 по шкале Мооса, как у гематита и магнетита. 5. Витерит – карбонат бария (BaCO3), плотностью 4,27 – 4,35 г/см3. Применяют для разбуривания отложений CaSO4 (гипс, ангидрит), где он играет роль нейтрализатора Са++: Гипс Витерит Нейтрализация Са++Барит до 6. Сидерит (FeCO3) -карбонат железа. Плотность 3,8 – 3,9 г/см3, твердость 3,5 – 4,0 по Моосу. Утяжелитель сидерит применяют для получения растворов средней плотности 1,7 – 1,8 г/см3. 7. Галенит – PbS – сульфид свинца. Плотность 7,4 – 7,6 г/см3, твердость 2-3 по Моосу. Применяется для получения сверхтяжелых растворов и пакерующих жидкостей плотностью до 3,8 г/см3. КС-2 – свинцовый концентрат плотностью 5,8 – 6,2 г/см3. 8. Свинцовый сурик PbО4, плотность 9,0 – 9,1 г/см3. Применяется для получения сверхтяжелых жидкостей и пакерующих растворов (до 3,8 г/см3). Резюме: 1. Магнетит, гематит, свинцовый сурик легко вступают в химические реакции с H2S (сероводород) с образованием FeS2 и PbS – сульфиды. Причем, количество поглощаемого H2S прямо зависит от дисперсности и удельной поверхности этих утяжелителей. Для этих целей: • В США применяют «айронатспондж» - специально обработанная окись железа; • В РФ –ЖС-7 – с высокой удельной поверхностью (очевидно железистый сурик). 2. Магбар – утяжелитель магнетитовый (FeO) баритовый (BaSO4): • Плотность не менее 4,5 г/см3; • Абразивность – в 1,5 – 2,0 раза меньше магнетитового концентрата; • Для растворов плотностьюρр = 2,5 г/см3 и более; • Позволяет получить растворы со стабильными структурно-реологическими свойствами; • Совместно со всеми видами буровых растворов; • Высокая поглотительная способность H2S - 1 т магбара до 50-60 м3 H2S. Влияние утяжелителей на свойства глинистого раствора Ввод утяжелителей приводит к повышению концентрации твердой фазы – значит увеличению внутреннего трения, что ведет к увеличению структурообразования –растет условная вязкость-Т. Размер глинистых частиц около 1 мкм (max 2 мкм), а размер утяжелителя 57,2 мкм – т.е. появляется более крупная фракция, изменяются свойства дисперсной системы: • Растет показатель фильтрации Ф30; • Увеличивается толщина корки. Для исключения этого необходимо утяжелять только химически обработанные растворы. Требования к раствору, подлежащему утяжелению: 1. Раствор не должен содержать избыточной твердой фазы – необходимо удалять твердую фазу. 2. Раствор должен обладать способностью к структурообразованию, достаточной для удержания утяжелителя во взвешенном состоянии. 3. Раствор должен иметь невысокую вязкость при достаточно хороших остальных свойствах. № п/п Наименование Химическая формула Плотность утяжелителя, г/см3 Твердость по Моосу Плотность утяжеленных растворов, г/см3 Другие свойства Особенности применения и действия 1 2 3 4 5 6 7 8 1 Барит BaSO4 4,05 – 4,5 2,5 – 3,5 до 2,2 Не смачивается нефтью; Не присоединяет пузырьки воздуха. Гидрофилизация УЩР, КМЦ, полиакрилата. 2 Железистый гематит, магнетит Fe2O3 FeO 5,0 – 5,3 4,9 – 5,2 5,5 – 6,0 до 2,8 – 3,0 Высокая абразивность; Примесь SiO2, Al2O3 Наличие растворенных примесей SiO2, Al2O3; Опасность прихватов, затяжек. 3 Известняк, мел, мраморная пудра CaCO3 2,7 1,5 – 2,0 до 1,5 – При ρ>1,5 г/см3 теряет подвижность; Растворяется в кислоте; 4 Пирит (серный колчедан) FeS2 4,9 – 5,2 6,65 до 2,8 – 3,0 – – 5 Витерит BaCO3 4,27 – 4,35 2,5 – 3,0 до 2,2 – 2,3 – Для перебуривания 6 Сидерит FeCO3 3,8 – 3,9 3,5 – 4,0 до 1,7 – 1,8 – – 7 Галенит (сульфид свинца) PbS 7,4 – 7,5 2,5 – 3 до 3,8 – Для сверхтяжелых растворов; Пакерующие жидкости. 8 КС-2 (концентрат свинцовый) концентрат свинцовый 5,8 – 6,2 – до 3,8 – – 9 Свинцовый сурик Pb3O4 9,0 – 9,1 – до 3,8 – Для сверхтяжелых растворов; Пакерующие жидкости 10 Магбар (магнетито-баритовый) FeO BaSO4 4,5 1,5 – 2 до 2,5 Высокая поглотительная способность H2S; Стабильность структурно-реологических свойств Совместим со всеми видами растворов; Абразивность в 1,5-2 раза ниже, чем у магнетита. Тяжелые растворы это растворы на основе неорганических солей без твердой фазы – бромиды, имеющие высокую плотность. Эти растворы позволяют: - снизить затраты и повысить дебиты за счет сохранения коллекторских свойств пласта при вторичном вскрытии на 20-30%; - иногда рост продуктивности может достичь 50 %; - отсутствие твердой фазы исключает кольматацию продуктивного пласта; - высокая концентрация солей обеспечивает исключение гидратации глинистых интервалов-пропластков ; Рассолы на основе СаСl2 (хлорида кальция) и СаBr2 (бромида кальция)Са+2 – позволяют получить инвертный эмульсионный раствор, обладающий высокой ингибирующей способностью и сохраняющий коллекторские свойства пласта. Для ввода рассолов в инвертную эмульсию существуют ПАВ: рассол на основе бромидов Zn и Са плотностью от 1,44 до 1,92 г/см3. Эти растворы являются универсальными и используются для: - расширения ствола; - гравийной набивки; - перфорации (вторичное вскрытие). Исходные материалы для получения этих рассолов – это бромсодержащие пластовые воды и руды окиси кальция и цинка. Извлеченный бром (из пластовой воды) реагирует с водородом, а затем окисью Са+2 в воде, образуя при этом раствор бромистого Са+2 плотностью 1,7 г/см3. Br- + 0,5Cl2↑ = 0,5Br2 + Cl- Br2↑ + H2↑ = 2HBr↑ CaO + 2HBr↑ = CaBr2 + H2O ZnO + 2HBr↑ = ZnBr2 + H2O Регулирование плотности Если градиент пластового давления в пределах 1,3 – 2,2, то применяют рассолы на основе одной, двух и трех солей: CaBr2,СаСl2, ZnBr2. Максимальные значения плотности: Состав рассола Массовая доля соли, % Плотность при 21 ºС, кг/м3 NaBr 45 1490 CaBr2 52-60 1700-1850 СаСl2+CaBr2 60 1810 CaBr2 + ZnBr2 75 2300 СаСl2+CaBr2 + ZnBr2 77 2300 • NaBr, CaBr2 – растворы на основе одной соли; • СаСl2 +CaBr2, CaBr2 + ZnBr2 – растворы на основе двух солей; • СаСl2 +CaBr2 + ZnBr2 – раствор на основе трех солей: - СаСl2 - CaBr2 – бромистый Са+2 - ZnBr2– бромистый Zn+2 Для получения рассолов используются бромсодержащие пластовые воды и руды: окислы Ca и Zn. Расчеты при утяжелении буровых растворов базируются на уравнениях материального баланса: - уравнение баланса масс: (1) - уравнение баланса объемов: Расчет утяжеления скомкованным утяжелителем: - уравнение баланса масс: – масса исходного раствора; – масса сухого утяжелителя; – масса влажного утяжелителя; – масса конечного раствора. Также записывается уравнение баланса объемов: (2) Содержание влаги (воды): (3) Решается данная система из трех уравнений. Случаи решения этой системы уравнений (пути утяжеления глинистого раствора): Известен исходный объем бурового раствора – утяжелению подлежит весь раствор, находящийся в скважине и циркуляционной системе: Известно: , , , . (4) – объем скважины; – объем (рабочий) циркуляционной системы – рабочих емкостей. В этом случае известны значения плотностей: , , , , тогда масса влажного утяжелителя () находится по формуле (решая совместно уравнения 1, 2 и 3): (5) Для расчета количества утяжелителя необходимо использовать формулы при известных значениях: – плотность исходного раствора; – плотность конечного утяжелителя; – плотность утяжелителя; – плотность влаги (воды). - масса влажного утяжелителя: (6) - масса сухого утяжелителя: (7) - при этом в расчетах: – объем исходного раствора; – рабочий объем. Из приведенных выше формул, можно сделать вывод: метод утяжеления растворов заключается в том, что: -определяем конечный объем утяжеленного раствора: (8) - по формуле (6) можно найти массу влажного утяжелителя, который необходимо ввести в исходный раствор. Поэтому исходный объем влажного утяжелителя: (9) - этот объем надо откачать из конечного объема утяжеленного раствора () в резервные емкости (чтобы весь раствор поместился в элементы циркуляционной системы); - избыточный объем можно рассчитать по формуле (10): (10) Таким образом определить величину избыточного объема утяжеленного раствора можно не считая массу влажного утяжелителя по формуле (6), а сразу по формуле (10) можно рассчитать избыточный объем, который должен быть откачан в резервные емкости после приготовления этого утяжеленного раствора.