Растворы на углеводородной основе: понятие, свойства, сфера применения

метки: Раствор, Буровая, Углеводородный, Основа, Касторовый, Масло, Буров, Содержать

Растворы на углеводородной основе: понятие, свойства, сфера применения

Дисперсионная среда РУО: дизельное топливо; нефть; углеводородорастворимые ПАВ.

Дисперсная фаза РУО: высокоокисленный битум; гидроокись кальция (CaO); глина, в том числе органобентонит; барит (при необходимости утяжеления РУО); небольшое количество эмульгированной воды.

Первый отечественный РУО имел следующий состав: дизельное топливо — 80%; высокоокисленный битум — 16%; окисленный парафин — 3%; каустическая сода (NaOH) — 1%.

Несколько позже для структурирования РУО в него стали добавлять тонкоразмолотую негашеную известь — СаО. Такие растворы получили название известково-битумных растворов (ИБР).

В настоящее время наиболее распространены ИБР- 2 и ИБР- 4.

РУО по сравнению с буровыми растворами на водной основе имеют целый ряд преимуществ: обладают высокой стабильностью во времени (можно длительно хранить и многократно использовать); инертны в отношении глин и солей; обладают хорошими антикоррозионными и триботехническими свойствами (f = 0,14…0,22, тогда как у растворов на водной основе f = 0,2…0,4); могут утяжеляться любыми стандартными утяжелителями; обладают высокой термостойкостью (до 220-220С); почти не фильтруются в проницаемые пласты, а их фильтрат не оказывает вредного влияния на продуктивные нефтяные горизонты.

Недостатками, сдерживающими широкое применение РУО, являются: высокая стоимость (200-625 $/м ³ ) и дефицитность основных компонентов; пожароопасность; трудность очистки от шлама; трудность проведения электрометрических работ; экологическая вредность.

Основная область применения РУО: вскрытие продуктивных нефтяных пластов с низким пластовым давлением. Кроме этого, РУО применяют при бурении скважин в условиях высоких положительных и отрицательных (бурение во льдах) забойных температур, а также для проходки соленосных толщ и высокопластичных глинистых пород.

В мировой практике все более широкое распространение при бурении и особенно при заканчивании скважин находят растворы на углеводородной основе (РУО).

Известны два класса РУО: безводные углеводородные растворы (известково-битумные растворы и загущенные нефти) и гидрофобно-эмульсионные буровые растворы (ГЭР) с большим содержанием водной фазы (см. А.И. Булатов, А.Г. Аветисов. Справочник инженера по бурению в двух томах. М.: Недра, 1985 г., том 1, стр. 360; В.И. Токунов, И.Б. Хейфец. Гидрофобно-эмульсионные буровые растворы. М.: Недра, 1983 — аналоги).

Пенообразование в растворах поверхностно-активных веществ

... адсорбции на них ПАВ до релаксации пленки. Плохими пенообразователями являются и немицеллообразующие вещества. Например, водные растворы этанола не вспениваются, несмотря на то что этанол ... образовавшейся пены. Растворы многих белков обладают очень низкой пенообразующей способностью, но образуют высокоустойчивые пены, в то время как растворы некоторых ПАВ обнаруживают высокую пенообразующую ...

Основной проблемой использования буровых растворов на углеводородной основе (РУО) является их потенциальное отрицательное влияние на окружающую среду, особенно в экологически чувствительных зонах (морские акватории, поймы рек).

Особую остроту этой проблеме придает тенденция к ужесточению требований к охране окружающей среды во всем мире.

Проблема снижения токсичности РУО была поставлена за рубежом в конце 70-х годов XX века и ее решение связано с использованием углеводородных жидкостей под объединенным общим названием «минеральные масла». Однако использование минеральных масел не решало до конца проблемы экологической безопасности РУО. Биологическая разлагаемость растворов на их основе не превышала 5%, что не позволило снять ограничения на их сброс в море.

В связи с этим была выдвинута проблема создания биологически разлагаемых буровых растворов на синтетической неводной основе, являющихся альтернативой РУО и обладающих всеми их достоинствами.

Известен эмульсионный буровой раствор, содержащий касторовое масло, не загрязняющий окружающую среду, который представляет собой прямую эмульсионную систему, основой этого бурового раствора является сложный гель, биоразлагаемый в аэробных и анаэробных условиях, содержащий неполярную дисперсионную среду, жидкое полимерное поверхностно-активное вещество ПАВ, в кислой форме, растворенное или диспергированное в указанной неполярной среде, агент для нейтрализации полимерного ПАВ, содержащий от 0,2 до 5 молекул воды на молекулу ПАВ, эмульгатор и/или твердый наполнитель, растворимый или нерастворимый в неполярной среде.

Гель используется для приготовления бурового раствора на водной основе (см. пат. США № 5858928 А, С 09 К 7/02, 112.01.1999 г. — ПРОТОТИП).

Недостатком этого технического решения является то, что сам гидрофобный (неполярный) гель в качестве промывочной жидкости (согласно патенту US 5858928 А, С 09 К 7/02) не используется, а приготовленный из него буровой раствор является водным, т.е. в основе своей он содержит от 97 до 99,09% воды.

Следовательно, несмотря на его высокую водоудерживающую способность Ф=18-20 см ³ /30 мин по API, выделившаяся влага может гидратировать и разупрочнять водочувствительные горные породы, слагающие стенки скважин, а также вызывать процесс набухания глинистой части скелета, нефтеносного пласта, что ведет к снижению его продуктивности или полной закупорке.

Техническим результатом изобретения является создание экологически безопасного бурового раствора на углеводородной основе (РУО) с требуемыми вязкостными и структурными показателями в широком диапазоне водосодержания путем применения новой широко доступной углеводородной основы.

Буровой раствор, содержащий касторовое масло, эмульгатор, хлористый кальций, бентонит и воду, содержит органофильный бентонит, в качестве эмульгатора — неонол АФ-9/12 и дополнительно — загуститель — кальциевый резинат канифоли при следующем соотношении компонентов, мас.%:

касторовое масло	50,0 — 83,0
кальциевый резинат канифоли	4,0
хлористый кальций	10,0
неонол АФ-9/12	0 — 0,3
органофильный бентонит	2,0 — 3,0
вода	0 — 30,0

буровой раствор касторовый углеводородный

Буровой раствор дополнительно может содержать гидрофобизатор — пенозолин 0-2,0 мас.%.

Совокупность заявленных компонентов в заявляемых соотношениях обеспечивает получение такой обратной эмульсии, которая при бурении, фильтруясь в горные породы, не вызывает их набухания и, как следствие, их разупрочнения.

А при вскрытии нефтегазоносного пласта заявляемый буровой раствор не вызывает набухания глинистой части его скелета, что обеспечивает полное сохранение коллекторских свойств продуктивного пласта.

В ходе лабораторных исследований были приготовлены образцы РУО обоих классов — раствор, не содержащий водной фазы и гидрофобно-эмульсионные буровые растворы (ГЭР) с минимальным (10%) и 30%-ным содержанием водной фазы.

Образцы РУО готовили согласно способам и методикам, приведенным в работах «Гидрофобно-эмульсионные буровые растворы», В.И. Токунов, И.Б. Хейфиц. — М.: Недра, 1983 г. «Применение обратных эмульсий в нефтедобыче», Г.А. Орлов, М.Ш. Кендис, В.М. Глущенко. — М.: Недра, 1991 г.

При исследованиях использовались методики и аппараты согласно РД 39-2-645-81 «Методика контроля параметров буровых растворов», Краснодар: ВНИИКРнефть, 1981 г.

Результаты исследований растворов на углеводородной основе (РУО) по предлагаемому техническому решению представлены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1

Составы РУО на основе касторового масла
Наименование компонентов	Марка, сорт, ТУ, ГОСТ	Содержание компонентов, мас.%
Загущенное касторовое масло	ГЭР-1	ГЭР-2
Касторовое масло	Коммерческое	83,0	73,7	50,0
Загуститель. Кальциевый резинат канифоли	Экологически безопасен	4,0	4,0	4,0
Хлористый кальций	ГОСТ 540-77	10,0	10,0	10,0
Неонол АФ-9/12 (эмульгатор)	ТУ 38.507-635-171-91	—	0,3	0,2
Пенозолин (гидрофобизатор)	ОП	—	—	2,0
Вода	техническая	—	10	30,0
Органофильный бентонит	ТУ 95-27-52-2000	3,0	3,0	2,0

Указанный технический результат достигается при любых значениях из указанного интервала, например, буровой раствор содержит в мас.%: касторовое масло 80, кальциевый резинат канифоли 4,0, хлористый кальций 10,0, неонол АФ-9/12 0,1, органофильный бентонит 2,5, воду 3,3, пенозолин 0,1 или касторовое масло 60, кальциевый резинат канифоли 4,0, хлористый кальций 10,0, неонол АФ-9/12 0,25, органофильный бентонит 2, воду 23,6, пенозолин 0,15.

Таблица 2

Таблица 2
Параметры буровых растворов (РУО) на основе касторового масла
Показатели свойств	Единица измерения	Классы РУО
Загущенное касторовое масло	ГЭР-1	ГЭР-2
Плотность(?)	г/см3	0,997	0,886	1,04
Вязкость эффективная (?эф.)	мПа·с	70	64	101
Вязкость пластическая (?пл.)	мПа·с	68	55	81
Динамическое напряжение сдвига (?0)	дПа	19,2	57,6	196
Статическое напряжение сдвига (СНС) через 1 мин покоя через 10 мин покоя	? ? ? дПа	? ? ? 1	? ? ? 1	? ? ? 3
дПа	2	1	6
Показатель фильтрации (Ф20)	см3/30 мин	5,4	1,1	0
Глиноемкость	%	22,5	22,5	22,5
Устойчивость	часов	не ограничено	не ограничено	>340
Электростабильность (Э)	В (вольт)	951	375	211
Показатель фильтрации (Ф90)	см3/30 мин	15,97	19,17	1,27
Ингибирующая способность (П0)	см/час	0,187	0,187	0,187
Поверхностное натяжение (?) фильтрата	?Н/м	7,80	7,82	6,52
Термостабильность	°С	>120	120	120

Согласно экспериментальным данным, приведенным в таблицах 1 и 2, растворы (РУО) на основе касторового масла имеют технологические параметры отвечающие всем требованиям ведения буровых работ. Их реологические характеристики имеют достаточно низкие значения. Так эффективная вязкость (см. табл. 2) у всех трех типов растворов находится в пределах 60-70 мПа·с, что соответствует величинам вязкости практически используемых растворов на нефтяной основе. Значения величин пластической вязкости в интервале 68-50 мПас, у растворов на основе касторового масла, практически идентичны величинам растворов на нефтяной основе. Динамическое напряжение сдвига в диапазоне 19-20 дПа у предлагаемых растворов согласуется с величинами классических РУО на нефтяной основе и обеспечивает им надежную выносящую способность. Показатель горячей фильтрации (Ф90) в пределах 1,27-19,17 см ³ за 30 минут позволяет растворам на касторовом масле иметь низкие потери раствора в процессе циркуляции в забойных условиях и по величине соответствует показателям классических РУО. Что касается таких показателей (у предлагаемых растворов), как глиноемкость, устойчивость, электростабильность, то их величины характеризуют предлагаемые жидкости как чрезвычайно устойчивые (см. табл. 2).

Термическая стабильность у предлагаемых систем соответствует 120°С.

Надо еще отметить как положительные качества их высокую ингибирующую способность (П0=0,187 см/час) и низкое поверхностное натяжение их фильтратов (?=6,52-7,82 ?Н/м), что предопределяет качественное вскрытие продуктивных пластов и высокие дебиты извлекаемого сырья.

Кроме того, предлагаемые буровые растворы на основе касторового масла являются экологически абсолютно безопасными и могут быть использованы при разбуривании шельфовых месторождений нефти и газа, так как допускают сброс отработанных буровых растворов непосредственно в акваторию без ущерба для природы. Ведь основа (касторовое масло) и загуститель являются биоразлагаемыми и полностью утилизируются микроорганизмами из окружающей среды.

Таким образом, поставленная задача данного изобретения решена путем загущения касторового масла кальциевым резинатом канифоли и созданием инвертных (обратных) эмульсий на его основе.

1. Буровой раствор, содержащий касторовое масло, эмульгатор, хлористый кальций, бентонит и воду, отличающийся тем, что он содержит органофильный бентонит, в качестве эмульгатора — неонол АФ-9/12 и дополнительно загуститель — кальциевый резинат канифоли при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Касторовое масло	50,0 — 83,0
Кальциевый резинат канифоли	4,0
Хлористый кальций	10,0
Неонол АФ-9/12	0 — 0,3
Органофильный бентонит	2,0 — 3,0
Вода	0 — 30,0

2. Буровой раствор по п. 1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит гидрофобизатор пенозолин — 0-2,0 мас.%.