На правах рукописи

ЛЕУШЕВА Екатерина Леонидовна

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СОСТАВОВ

ПОЛИМЕРНЫХ РАСТВОРОВ С ДОБАВКАМИ

РЕАГЕНТОВ-ДЕТЕРГЕНТОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ

ЭФФЕКТИВНОСТИ БУРЕНИЯ ТВЕРДЫХ ГОРНЫХ

ПОРОД

Специальность 25.00.15 – Технология бурения

и освоения скважин

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ - 2013

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Николаев Николай Иванович

Официальные оппоненты:

Шарафутдинов Зариф Закиевич доктор технических наук, ОАО «Газпром промгаз», главный научный сотрудник Уляшева Надежда Михайловна кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО «Ухтинский государственный технический университет», кафедра бурения, профессор

Ведущая организация – ООО «СамараНИПИнефть»

Защита диссертации состоится 27 сентября 2013 года в 15 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.224.02 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, Санкт-Петербург, В.О., 21-я линия, д.2, ауд. 1166.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный»

Автореферат разослан 26 августа 2013 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ ОНИЩИН

диссертационного совета Владислав Петрович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: Развитие минерально-сырьевой базы страны, повышение качества и эффективности бурения скважин предполагает освоение все больших глубин разрабатываемых месторождений.

Бурение скважин требует совершенствования не только техники и технологии буровых работ, но и систем буровых растворов. Технические и экономические показатели бурения во многом зависят от совершенства технологии промывки скважин, состава и свойств буровых растворов, их физико-химической обработки и соответствия буримым горным породам.

При бурении в твердых горных породах резко увеличиваются энергозатраты на разрушение породы на забое, что снижает эффективность бурения в целом. Особенно этот вопрос актуален при бурении скважин в Тимано-Печорской и ЛеноТунгусской нефтегазоносных провинциях, где геологический разрез представлен твердыми горными породами.

В связи с этим создание композиций эффективных буровых растворов с добавками реагентов - понизителей твердости горных пород представляется весьма актуальной задачей.

Значительный вклад в развитие научных представлений о процессах разрушения горных пород и влияние поверхностноактивных веществ (ПАВ) на этот процесс внесли отечественные и зарубежные исследователи: Ребиндер П.А., Шрейнер Л.А., Жигач К.Ф., Дихтяр А.А., Криворучко А.М., Синюков Ю.М., Кусов Н.Ф., Таран Р.Н., Дудля Н.А., Синев С.В., Шоболова Л.П., Эдельштейн О.А. и др.

Исследованием и разработкой рецептур промывочных жидкостей в разное время занимались: Агзамов Ф.А., Ахмадеев Р.Г., Булатов А.И., Ангелопуло О.К., Гайдаров М.М-Р., Городнов В.Д., Данюшевский В.С., Грей Дж. Р., Дарли Г.С.Г., Маковей Н., Николаев Н.И., Овчинников В.П., Рябова Л.И., Рязанов Я.А., Уляшева Н.М., Шарафутдинов З.З. и др.

Целью работы: Повышение эффективности разрушения твердых горных пород при бурении скважин.

Идея работы: заключается в создании композиций безглинистых буровых растворов на основе водорастворимых полимеров различной молекулярной массы с добавками реагентов – понизителей твердости горных пород (детергентов).

Задачи исследований:

- анализ материалов по применению реагентов – понизителей твердости в составе бурового раствора;

- разработка методики оценки эффективности реагентов понизителей твердости пород в составе бурового раствора;

- разработка составов буровых растворов повышающих эффективность бурения скважин в твердых горных породах;

- проведение экспериментальных и стендовых исследований свойств разработанных растворов и анализ полученных результатов;

- опытно-производственная оценка предложенным разработкам.

Методика исследований включает в себя комплекс экспериментальных исследований физико-механических свойств горных пород, а также основных структурно-реологических свойств безглинистых буровых растворов.

Научная новизна заключается в установлении зависимости изменения физико-механических свойств буримых твердых горных пород от состава и структурно-реологических показателей разработанных безглинистых буровых растворов с добавками реагентов - понизителей твердости, а также их концентраций, что обеспечит увеличение эффективности разрушения пород на забое.

Защищаемые научные положения:

1. Водные растворы анионактивных ПАВ при концентрациях 0,05 – 0,1% снижают твердость горных пород на 15-35%, что приводит к снижению удельной работы разрушения на 30-50% 2. Разработанная методика оценки влияния водных растворов ПАВ на изменение физико-механических характеристик твердых горных пород, включающая определение поверхностного натяжения, удельного электрического сопротивления раствора и предела прочности, микротвердости и динамической прочности породы, позволяет дать количественную оценку эффективности детергентов в составе буровых растворов пониженной плотности.

3. Буровые растворы на основе биополимера «КК Робус» (0,3 – 0,5%), высокомолекулярного акрилового полимера «К-М17» (3 – 5%), композиции анионактивных ПАВ (0,05 – 0,1%), обеспечивают получение стабильных промывочных жидкостей плотностью 1,02 – 1,04 г/см3, с нормативными технологическими показателями, повышающих механическую скорость бурения на 10 – 40 %.

рекомендаций определяется современным уровнем аналитических и достаточным объемом экспериментальных исследований, воспроизводимостью полученных данных и удовлетворительной сходимостью расчетных величин с результатами лабораторных и опытно-производственных исследований.

Практическая значимость работы состоит в разработке составов безглинистых биополимерных буровых растворов пониженной плотности, позволяющих повысить эффективность бурения твердых горных пород.

Апробация работы. Основные положения, результаты теоретических и экспериментальных исследований, выводы и рекомендации докладывались на Международной молодежной научной конференции «Севергеоэкотех – 2011», «Севергеоэкотех – 2012» и «Севергеоэкотех – 2013» (г. Ухта), V Международной научно-технической конференции «Бурение скважин в осложненных условиях», посвященной 90-летию ДонНТУ и 40-летию кафедры «Технология и техника геологоразведочных работ» (г. Донецк, год), V Всероссийской конференции «Проблемы разработки месторождений углеводородных и рудных полезных ископаемых»

(г. Пермь, 2012 год), IV Международной научно-практической конференции молодых ученых (г. Уфа, 2011 год), Всероссийской молодежной научной конференции «Молодежь и наука на Севере»

(г. Сыктывкар, г. Ухта, 2013 год).

Реализация результатов работы. Отдельные положения диссертационного исследования использованы при выполнении научно-исследовательских работ в рамках:

– ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы;

– стипендиальной программы Президента Российской Федерации молодым ученым и аспирантам на 2013-2015 годы по теме «Обоснование и разработка методики выбора поверхностноактивных веществ в составе буровых растворов для повышения эффективности разрушения твердых горных пород при бурении скважин»;

– опытно-производственного опробования при бурении скважин в твердых горных породах на Гиммельфарбском местрождении (Казахстан) и объекте Таловейс (республика Карелия).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, 4 статьи опубликованы в журналах, входящих в перечень ведущих журналов и изданий, рекомендуемых ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем диссертационной работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка, включающего 86 наименований. Материал диссертации изложен на 105 страницах, включает 18 таблиц, 27 рисунков, 2 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится общая характеристика работы, обосновывается ее актуальность, определяются цель, задачи, идея работы, излагаются защищаемые научные положения, научная новизна и практическая значимость.

В первой главе приведен обзор современного состояния технологии бурения глубоких скважин в твердых горных породах.

Приведена общая характеристика прочностных свойств горных пород и способов интенсификации разрушения горных пород на забое скважин.

Дан анализ существующих методик выбора поверхностноактивных веществ для повышения эффективности разрушения твердых горных пород на забое скважины.

Приведена классификация поверхностно-активных веществ.

Поставлены цели и задачи исследований.

Во второй главе изложена методика экспериментальных исследований. В ней кратко представлены основные исследуемые физико-механические свойства и технологические параметры буровых растворов. Описаны приборы и принципы измерения.

Приводится методика планирования экспериментов и статистической обработки результатов.

В третьей главе приведены исследования по разработке методики оценки влияния ПАВ в составе промывочной жидкости на эффективность разрушения горной породы на забое скважины и изложены результаты экспериментальных исследований по разработанной методике.

В частности, были проведены исследования по обоснованию выбора типа ПАВ в составе буровых растворов. Исследования состояли в замере краевых углов смачивания и определении микротвердости образца породы в среде различных водных растворов ПАВ c получением диаграмм деформации.

Были сделаны выводы, что наименьшие краевые углы смачивания имеют водные растворы анионактивных и неионогенных ПАВ, при их концентрации 0,05% снижение краевого угла смачивания достигает 45%, при концентрации 0,1% снижение достигает 60%. Отмечено, что дальнейшее увеличение концентрации не является целесообразным, так как не ведет к значительному снижению краевого угла смачивания. Установлено, что все виды ПАВ снижают нагрузку, необходимую для разрушения образца, причем при концентрации ПАВ 0,05% это снижение составляет в среднем 25%, а с увеличением концентрации ПАВ до 0,1% снижение нагрузки достигает 40% для анионактивных ПАВ.

Очевидно, что удельная работа разрушения определятся площадью, ограниченной диаграммой деформации в пределах упругости. Результаты соответствующих расчетов представлены на рисунке 1.

Из графиков видно, что при малых концентрациях (0,05%) все ПАВ уменьшают работу разрушения породы примерно на 40%.

С увеличением концентрации до 0,1% анионактивные ПАВ снижают работу упругих сил почти в три раза, а увеличение концентрации неионогенных и катионактивных ПАВ на этот показатель практически не влияют.

Рисунок 1 - Зависимость работы упругой деформации от Аналогичная зависимость наблюдается при анализе влияния ПАВ на твердость горных пород (рисунок 2).

Рисунок 2 - Зависимость твердости породы от концентрации ПАВ Так при концентрациях ПАВ 0,05% снижение твердости составляет в среднем 25% для всех исследуемых ПАВ, а с увеличением концентрации до 0,1% понижение твердости наблюдается при воздействии на породу только анионактивными ПАВ, и этот показатель уменьшается более чем на 40%.

Таким образом, результаты исследований свидетельствуют о перспективности использования анионактивных ПАВ в составах разрабатываемых буровых растворов в качестве реагентов – понизителей твердости горных пород.

В ходе исследований была разработана методика оценки разупрочняющего действия промывочной жидкости на твердые горные породы. Схема методики, может быть представлена в виде пяти последовательных этапов экспериментальных исследований и анализе полученных результатов (рисунок 3).

Понижение прочности горной породы на забое скважины можно выразить через функцию следующих физических свойств раствора:

где Рр - снижение прочности породы; п.н.- поверхностное натяжение раствора; Rр – удельное электрическое сопротивление раствора; р - плотность раствора.

То есть на первом этапе необходимо определить плотность раствора, поверхностное натяжение и удельное электрическое сопротивление.

На втором этапе проводиться расчет относительных коэффициентов поверхностного натяжения, удельного электрического сопротивления, плотности раствора и интегрального показателя разупрочняющего действия раствора на буримую горную породу.

где вп.н., рп.н. – поверхностное натяжение воды и исследуемого раствора на поверхности образца; Rв, Rр – удельное электрическое сопротивление воды и исследуемого раствора; в, р – плотность воды и исследуемого раствора.

Тогда интегральный показатель свойств раствора (Кр) можно выразить:

Анализ уравнений (2) и (3) показывает, что с уменьшением поверхностного натяжения раствора рп.н. по отношению к поверхностному натяжению воды вп.н. значение Кр увеличивается.

То же самое можно сказать и об удельном электрическом сопротивлении. Снижение плотности раствора р так же приводит к росту интегрального показателя свойств раствора Кр.

Третий этап связан с определением основных физикомеханических свойств горной породы:

- временного сопротивления (предела прочности);

- динамической прочности;

- микротвердости.

Эти показатели можно объединить через некий удельный критерий прочности (пр):

где п - предел прочности породы; Fд - динамическая прочность породы; Ртв – микротвердость породы.

На четвертом этапе проводиться расчет среднего удельного критерия прочности породы на основе расчетов относительного временного сопротивления, динамической прочности и микротвердости породы.

где пр, п – временное сопротивление образца породы в воде и в среде исследуемого раствора; Fдр, Fдв – динамическая прочность образца породы в воде и среде исследуемого раствора;

Ртв, Ртв – микротвердость образца породы в воде и среде исследуемого раствора.

Тогда средний удельный критерий прочности породы (Кп) можно представить в виде:

Из уравнений (5) и (6) следует, что чем больше снижаются прочностные показатели породы в среде раствора (рв, Fрд, Рртв), тем интенсивнее уменьшается удельный критерий прочности породы Кп.

На последнем этапе проводиться расчет коэффициента эффективности разрушения породы.

Очевидно, что чем больше значение Кр и меньше Кп, тем эффективнее разрушение.

Для формализации полученных результатов расчетов по уравнениям (3) и (5) введем понятие коэффициента эффективности разрушения (Кэ.р.), которое связывает физические свойства раствора через параметр Кр с физико-механическими характеристиками породы Кп:

Экспериментальные и расчетные данные, полученные по разработанной методике, позволили оценить эффективность водных растворов ПАВ на каждом из этапов и сделать выбор конкретного вида.

Результаты I этапа представлены на рисунке 4 и в таблице 1, а этапа II в таблице 2.

На рисунках 5 и 6 представлены зависимости временного сопротивления и динамической прочности образца горной породы от вида ПАВ. Данные об изменении микротвердости представлены на рисунке 7.

Рисунок 4 - Значение поверхностного натяжения на границе «раствор-образец» для водных растворов анионактивных ПАВ Таблица 1 - Показатели удельного электрического сопротивления растворов (водопроводная) ацетата калия лаурилсульфата ЛАБС натрия Таблица 2 - Результаты расчета интегрального показателя свойств раствора Рисунок 5 - Зависимость временного сопротивления горной породы Рисунок 6 - Зависимость динамической прочности породы Рисунок 7 - Гистограмма изменения твердости образца породы в среде водных растворов анионактивных ПАВ Результаты расчетов по этапу III представлены в таблице 3.

Результаты расчета коэффициента эффективности разрушения (этап IV) приведен в таблице 4.

Полученные данные свидетельствуют о том, что исследуемые анионактивные ПАВ имеют высокий коэффициент эффективности разрушения горной породы, из них наилучшие показатели имеет 0,1% водный раствор лаурилсульфата натрия.

Таблица 3 - Результаты расчета среднего удельного критерия Относительный предел прочности, п Относительная динамическая прочность, Fд, Относительная микротвердость, Ртв Средний удельный критерий прочности, Кп Таблица 4 - Расчет коэффициента эффективности разрушения Интегральный раствора Кр.

Средний удельный прочности, Кп Коэффициент разрушения, Кэ.р..

В четвертой главе представлены результаты исследований по разработке композиций безглинистых буровых растворов.

На рисунках 8 и 9 представлены результаты исследований влияния биополимера «КК-Робус» на основные структурнореологические показатели растворов.

Рисунок 8 - Зависимость условной вязкости и водоотдачи от концентрации биополимера «КК-Робус»

Рисунок 9 - Зависимость СНС и ДНС от концентрации биополимера Из рисунков 8 и 9 следует, что для дальнейших исследований концентрация ксантанового биополимера «КК-Робус»

должна быть не менее 0,3% и не превышать 0,6%.

Для очистки ствола скважины и снижения потерь давления лучше всего подходит буровой раствор с преимущественно структурной вязкостью, т.е. с высоким отношением предельного динамического напряжения сдвига к пластической вязкости или с низким показателем нелинейности. В связи с этим были проведены исследования по замеру показателя нелинейности из которых следует, что оптимальная концентрация «К-М – 017», при концентрации «КК-Робус» 0,4%, составляет 5%.

Таким образом, разработанный биополимерный буровой раствор имеет следующий состав:

- 0,4 % биополимера «КК-Робус»;

- 5 % акрилового полимера «К – М 017»;

- 0,1 % анионактивного ПАВ (0,05% лаурилсульфата натрия и 0,05% ацетата калия);

- 0,1 % гидроксида натрия;

Разработанный безглинистый биополимерный раствор исследовался по методике количественной оценки разупрочняющего действия промывочной жидкости, представленной ранее.

Полученные результаты сведены в таблицу 5.

Таблица 5 - Результаты исследования биополимерного бурового раствора по разработанной методике этапа Удельное электрическое сопротивление Относительное поверхностное натяжение Относительное удельное сопротивление Интегральный показатель свойств раствора 2, Предел прочности (временное сопротивление) разработанный состав биополимерного раствора увеличивает эффективность разрушения горной породы на забое скважины в 2, раза по сравнению с водой.

Для сравнения, в таблице 6 представлены помимо воды и биополимерного раствора коэффициенты эффективности разрушения 0,1% водных растворов ацетата калия и лаурилсульфата натрия, полученные по той же методике.

Таким образом, полученные данные свидетельствуют о том, что исследуемые водные растворы анионактивных ПАВ и разработанный состав биополимерного раствора имеют высокий коэффициент эффективности разрушения горной породы.

Таблица 6 - Сводная таблица коэффициентов эффективности разрушения исследуемых растворов Коэффициент разрушения Кэ.р.

Также в четвертой главе проводились экспериментальные исследования структурно-реологических показателей разработанного безглинистого бурового раствора. Пластическая вязкость и динамическое напряжение сдвига определялись при температуре от 30 до 120 С.

Результаты исследования показывают, что при повышенной температуре окружающей среды структурно – реологические показатели разработанного безглинистого биополимерного бурового раствора остаются в пределах допустимых значений.

В пятой главе представлены результаты стендовых и опытно-производственных исследований эффективности предложенных разработок, а также их эколого-экономическая и опытно-производственная оценка.

Эффективность разрушения образцов горной породы (диабаза) при ударно-вращательном воздействии породоразрушаюшего инструмента исследовались на специальном стенде, а ударным действии единичного индентора (бойка) - на стеклянном образце. Принципиальная схема экспериментального стенда представлена на рисунке 10.

Рисунок 10 - Принципиальная схема стенда На разработанном стенде были проведены эксперименты с использованием следующих растворов:

- 0,1% водный раствор ЛАБС натрия;

- 0,1% водный раствор лаурилсульфата натрия;

- разработанный биополимерный буровой раствор.

Полученные результаты представлены на рисунке 11.

Результаты экспериментальных исследований показывают, что в сравнении с водой применение ЛАБС натрия увеличивает механическую скорость разрушения образца породы на 7%, а лаурилсульфат натрия на 23%. Биополимерный раствор, содержащий композицию ПАВ, увеличивает исследуемый параметр на 18%. Полученные результаты с достаточной долей достоверности указывают на эффективность их количественной оценки по разработанной методике (см. таблицу 6).

На рисунке 12 представлены результаты хрупкой деформации поверхности стеклянного образца в воде и в среде водного раствора анионактивного ПАВ (лаурилсульфата натрия).

При единичном ударе увеличение зоны разрушения в среде водного раствора анионактивного ПАВ достигает 50%, в сравнении с водой. При большем количество ударов (3, 6, 8), то эта разница находиться в пределах 25-35%.

Оценка экологической безопасности разработанных составов растворов показывает, что они относятся к классу малоопасных веществ.

В результате проведения опытно-производственных работ было установлено, что применение рекомендованного состава бурового раствора позволило повысить механическую скорость бурения на 18-27%, увеличение проходки на долото составляет порядка 15-20%.

Основные выводы и рекомендации:

1. Анализ материалов показал, бурение твердых пород с применением буровых растворов содержащими реагенты – понизители твердости (детергенты) является более эффективным, также необходимо стремится к понижению плотности буровых растворов для снижения угнетающего давления на забой.

2. Разработанная методика количественной оценки разупрочняющего действия промывочной жидкости на буримые горные породы, включающая определение поверхностного натяжения и удельного электрического сопротивления жидкости, микротвердости, динамической прочности и предела прочности при одноосном сжатии, позволяет дать количественную оценку эффективности реагентов – понизителей твердости в составе буровых растворов различной плотности.

3. Буровые растворы на основе биополимера «КК Робус» (0,3 – 0,5%), высокомолекулярного акрилового полимера «К-М17» (3 – 5%), композиции анионактивных ПАВ (0,05 – 0,1%), обеспечивают получение стабильных промывочных жидкостей плотностью 1,02 – 1,04 г/см3, с нормативными технологическими показателями.

4. Водные растворы анионактивных ПАВ при концентрациях 0,05 – 0,1% уменьшают удельную работу разрушения твердых горных пород от 40% до 60%, что приводит к снижению их твердости от 25% до 40% соответственно, также введение 0,1% анионактивных ПАВ повышает эффективность разрушения твердых горных пород на 15-25%.

5. Опытно – производственная оценка при бурении скважин в твердых горных породах на Гиммельфарбском местрождении (Казахстан) и объекте Таловейс (республика Карелия) свидетельствует об эффективности предложенного состава бурового раствора для бурения твердых пород, а именно, повышается механическая скорость бурения на 18-27% и увеличивается проходка на долото 15-20%.

Наиболее значимые работы по теме диссертации:

1. Николаев, Н.И. Результаты экспериментальных исследований эффективности реагентов-понизителей твердости пород в составе буровых растворов / Н.И. Николаев, Е.Л. Леушева // Инженер-нефтяник. Научно-технический журнал М.: «Ай Ди Эс Дриллинг» 2011, № 3, с. 32- 2. Леушева, Е.Л. Разработка и методика оценки влияния поверхностно-активных веществ в составе буровых растворов на разрушение горных пород/ Е.Л. Леушева, Н.И. Николаев // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море.

– 2013. - №3, с.16- технологических отходов в буровых растворах / А.Я. Закиров, Р.М. Вафин, Е.Л. Леушева // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. – 2011. – №8, с. 34-36.

4. Леушева, Е.Л. Методика оценки влияния поверхностноактивных веществ на эффективность разрушения горных пород при бурении скважин / Е.Л. Леушева, М.В. Турицына // Горный Рисунок 3 - Схема методики количественной оценки разупрочняющего действия 84 мм 170 мм