Разработка термостойких полимерных систем буровых растворов на основе модифицированной карбоксиметилцеллюлозы

Актуальность темы

Современное состояние и перспективы развития химической обработки буровых растворов требуют неукоснительного обеспечения не только технологических свойств коагуляционным системам для выполнения ими прямого функционального назначения, но и комплекса физико-химических свойств для успешного углубления скважин.

Результаты бурения глубоких и сверхглубоких скважин в различных горногеологических условиях показали, что принятие компромиссных решений приводит в целом ряде случаев к возникновению осложнений и аварий.

Так, использование термои солеустойчивых рецептур буровых растворов при не соблюдении комплекса технологических свойств для выполнения функционального назначения буровой системы приводит к тяжелым последствиям в случае, например, низкой ингибир1ующей способности или высокой эррозионной активности этой системы.

Таким образом, разработка термостойких полимерных систем буровых растворов, обеспечивающих безаварийную проводку скважин с оптимальными технико-экономическими показателями является актуальной проблемой и зависит от решения комплекса задач, направленных на создание и регулирование физико-химических и функциональных технологических показателей коагуляционных систем.

Решение поставленной задачи достигается путем использования для обработки буровых растворов набора высокомолекулярных полимерных флокулянтов нового поколения.

Буровые растворы на нефтяной основе, способные обеспечить успешную проводку скважины в сложных горно-геологических условиях и качество вскрытия продуктивных отложений из-за высокой стоимости и жесткой критики экологов не нашли широкого применения.

Успехи химии высокомолекулярных соединений послужили толчком для разработки добавок в буровые растворы на водной основе и получению полимерных систем по своим свойствам не уступающим системам на нефтяной основе, что дало основание отказаться от этих систем и применять термостойкие полимерные системы буровых растворов при бурении вертикальных, наклонно-направленных и горизонтальных скважин, а кроме того, в многолетнемерзлых породах, соленосных отложениях и первичном вскрытии продуктивных горизонтов.

Методы решения задач основаны на обобщении многолетнего опыта использования карбоксиметилцеллюлозы для обработки буровых растворов и на результатах собственных теоретических и лабораторных исследований модифицированных эфиров карбоксиметилцеллюлозы с использованием современного комплекса лабораторного оборудования.

Научная новизна. 1. Установлено, что направленная модификация карбоксиметилцеллюлозы, с целью получения полимеров нового поколения для обработки буровых растворов, обеспечивает не только термостойкость полимерных систем при проводке глубоких скважин, но и повышает утойчивость к действию щелочных и щелочно-земельных металлов, увеличивает флокулирующие, ингибирующие, капсулирующие и эмульгирующие свойства (пат. СССР № 1 836 849, пат. РФ № 2 013 435).

2. Усовершенствована промышленная технология получения модифицированных эфиров карбоксиметилцеллюлозы.

3. Разработаны составы термостойкого полимерного бурового раствора на основе КМЦ-М-карбоалюминат, термостойкого ингибированного полимерного бурового раствора на основе КМЦ-М-карбоалюминат, термостойкого полимерного минерализованного бурового раствора для предупреждения и ликвидации поглощения, термостойкого гипсового нефтеэмульсионного полимерного бурового раствора на основе КМЦ-М-карбоалюмилон для проводки скважин в различных горногеологических условиях.

Основные защищаемые положения:

1. Схема синтеза и промышленная технология получения модифицированных эфиров карбоксиметилцеллюлозы.

2. Состав термостойкого полимерного соленасыщенного бурового раствора на основе КМЦ-М-карбоалюминат.

3. Состав термостойкого ингибированного полимерного бурового раствора на основе КМЦ-М-карбоалюминат.

4. Состав термостойкого полимерного минерализованного бурового раствора для предупреждения и ликвидации поглощения.

5. Состав термостойкого гипсового нефтеэмульсионного полимерного бурового раствора на основе КМЦ-М-карбоалюмилон.

Практическая значимость.

На основании обобщения и проведения теоретических, лабораторных и промысловых исследований разработаны: Технические условия ТУ 6−05−221−915−87 «Карбоксиметилцеллюлоза модифицированная марки карбоалюминат» — Технические условия ТУ 6−55−221−1186−91 «Карбоксиметилцеллюлоза модифицированная марки карбоалюмилон» — внедрены на Наманганском химическом заводе для производства модифицированной карбоксиметилцеллюлозывременная инструкция -" Рецептура нефтеэмульсионного бурового раствора для проводки скважин в сложных геологических условиях Восточной Туркмени" - временное руководство -" Применению термои солеустойчивого реагента — карбоалюмината целлюлозы для обработки бурового раствора" - временный технологический регламент — «Химическая обработка гипсового нефтеэмульсионного раствора для бурения скважин на Карачаганакском ГКМ под техническую колонну диаметром 245 мм» — временная инструкция — «Химическая обработка бурового раствора на Астраханском ГКМ» — временные технологические рекомендации — «Термосолеустойчивый буровой раствор на основе карбоалюмината целлюлозы для бурения скважин на Карачаганакском ГКМ под техническую колонну диаметром 245 мм» — временное руководство -" Применение термои солеустойчивого реагента карбоалюмилона для обработки бурового раствора на скважинах Карачаганакского ГКМ" - «Рекомендации по технологии химической обработки растворов новым реагентом-стабилизатором карбоа-люмилон при бурении скважин на Карачаганакском ГКМ под техническую колонну диаметром 245 мм» .

Разработанные автором составы термостойкого полимерного соленасыщенно-го бурового раствора на основе КМЦ-М-карбоалюминат, термостойкого ингибиро-ванного полимерного бурового раствора на основе КМЦ-М-карбоалюминат, термостойкого полимерного минерализованного бурового раствора с регулируемой эрро-зионной активностью для ликвидации поглощения, термостойкого гипсового неф-теэмульсионного полимерного бурового раствора на основе КМЦ-М-карбоалюмилон были внедрены на площадях Восточной Турктении, Карачаганакского, Астраханского месторждений. Всего было выпущено около 20 000 тонн модифицированной карбоксиметилцеллюлозы для бурения успешно прошедших промышленные испытания. В результате внедрение полимерных систем обеспечило повышение технико-экономических показателей бурения, предупреждение осложнений, а ряде случаев их ликвидацию.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на выездном заседании сессии Научно-технического совета Мингазпрома (Тюмень, 1984 г.), на выездном заседании сессии Научно-технического совета Мингазпрома (Киев, 1985 г.), на выездном заседании сессии Научно-технического совета Мингазпрома (Оренбург, 1986 г.), на сессии научно-технического совета Мингазпрома по аварийности (Москва, 1987), на выездном заседании сессии Научно-технического совета Мингазпрома (Ашхабад, 1988 г.), на межрегиональной научно-технической конференции по проблемам газовой промышленности России (Ставрополь, 1997 г.), на заседании секции НТС «Техника и технология бурения скважин» ОАО «Газпром» (Ставрополь, 2000 г.), в полном объеме диссертационная работа была доложена и обсуждена на секции ученого совета «Бурение, капитальный ремонт скважин, ПХГ и экологии ОАО «СевКавНИПИгаз» и на совместном заседании кафедры «Бурение нефтяных и газовых скважин» и кафедры «Разработки и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений» СевКавГТУ.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе два изобретения.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 73 наименования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Выполненные исследования дали основания заключить, что наиболее перспективным направлением развития систем буровых растворов являются недиспер-гирующие полимерные системы на основе водорастворимых полимеров с определенными химическими и физико-химическими свойствами.

Теоретическими исследованиями установлено, что одной из возможностей направленной модификации натрийкарбоксиметилцеллюлозы с целью повышения ее термои солеустойчивости с одновременным увеличением ингибирующей и I капсулирующей способности является использование кросси блокагентов, вводимых в полимер в процессе синтеза. Использование солей алюминия в процессе карбоксиметилирования приводит к образованию комплексных соединений, в которых в качестве лигандов фигурируют карбоксиметильные и гидроксильные группы разных молекул КМЦ, катионы алюминия выполняют роль кросс-агентов, сшивающих макромолекулы КМЦ и повышающих их молекулярную массу. Частичная замена катионов натрия в молекуле КМЦ на алюминий, помимо прочего, увеличивает устойчивость реагента к агрессивному воздействию катионов щелочно-земельных металлов. С использованием указанных теоретических представлений произведена наработка экспериментальных партий реагентов для лабораторных исследований. Положительные результаты лабораторных исследований дали основания разработать схему синтеза и промышленную технологию получения модифицированного эфира карбоксиметилцеллюлозы, получившего официальное название КМЦ-М-карбоалюминат.

Теоретические исследования дали возможность установить, что трехвалентный катион алюминия может образовывать комплексы и с другими соединениями. Вводя в комплекс определенные дополнительные лиганды можно направленно влиять на свойства комплекса. В процессе получения нового модифицированного эфира на основе КМЦ, получившего название КМЦ-М-карбоалюмилон, в качестве такого лиганда использована динатриевая соль этилендиаминтетрауксусной кислоты.

Показано, что одним из направлений, обеспечивающим повышение устойчивости модифицированной карбоксиметилцеллюлозы к высаливающему действию двухи трехвалентных катионов, является предположение о том, что в молекуле целлюлозы уже имеются неионогенные функциональные группы (ОН, СНгОН) и повысить их концентрацию в молекуле КМЦ можно не только введением их в молекулу КМЦ (например, в виде оксиэтильной группы), но и просто уменьшением концентрации карбоксиметильных групп в конечном продукте, то есть снижением значения степени замещения. Положительные результаты лабораторных исследований обеспечили разработку схемы синтеза и промышленную технологию получения модифицированного эфира карбоксиметилцеллюлозы, получившего название КМЦ-М-карбо алюмин ат-НЗ.

На основе полученных модифицированных эфиров карбоксиметилцеллюлозы разработаны системы термостойкого полимерного соленасыщенного бурового раствора и термостойкого ингибированного полимерного бурового раствора на основе КМЦ-М-карбоалюминат, термостойкого полимерного минерализованного бурового раствора для предупреждения и ликвидации поглощений, термостойкого гипсового нефтеэмульсионного полимерного бурового раствора на основе КМЦ-М-карбоалюмилон устойчивых к действию высоких температур и давлений, технологические особенности которых подтверждены результатами лабораторных исследований и широких промысловых испытаний.

Промышленные испытания, проведенные на площадях Восточной Туркмении, Карачаганакском, Астраханском и др. месторождениях, подтвердили высокую эффективность новых модифицированных эфиров карбоксиметилцеллюлозы и систем полимерных буровых растворов на их основе. Результаты промышленных испытаний обеспечили возможность проведения Межведомственной приемочной комиссии, которая рекомендовала приступить к выпуску промышленных партий модифицированных полимеров. Расчет экономического эффекта по результатам промышленных испытаний КМЦ-М-карбоалюминат, утвержденный Министерством газовой промышленности СССР и Министерством химической промышленности СССР, составил 1806,0 руб. на тонну продукта в ценах 1987 г., подготовлена заявка предприятий Министерства газовой промышленности СССР по годам, начиная с 1988 г., согласована оптовая цена КМЦ-М-карбоалюминат.

Результаты промышленных испытаний полимерного бурового раствора на основе КМЦ-М-карбоалюмилон, проведеных на Карачаганакском НГКМ, показали высокую эффективность разработанной системы, оформлены актом ведомственной комиссии, назначенной распоряжением Министерства газовой промышленности СССР № 06−12/201 от 17.10.1989 г. Расчет экономического эффекта от внедрения ингибированного полимерного бурового раствора на основе КМЦ-М-карбоалюмилон составил 22,3 руб. на метр проходки в ценах 1989 г. при объеме использования на 5836 м проходки.

Результаты испытаний убедительно показали научную и практическую состоятельность предложенных термостойких полимерных систем буровых растворов на основе модифицированной карбоксиметилцеллюлозы. 1.

9S.