Способ бурения скважин на саморазрушающейся пене по замкнутому циркуляционному циклу, установка и композиция саморазрушающейся пены для его осуществления
Владельцы патента RU 2498036:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Иркутский государственный технический университет" (ФГБОУ ВПО "ИрГТУ") (RU)
Группа изобретений относится к области бурения с использованием в качестве очистного агента газообразных текучих сред. Способ включает циркулирование системы буровой жидкости и эффективного количества пенообразующей композиции, состоящей из пенообразующего агента и стабилизирующего полимера, добавление газообразного агента в жидкость со скоростью, достаточной для образования пенного бурового раствора, и удаление вспененной буровой жидкости из скважины. Бурение осуществляют на саморазрушающейся пене, которую подают в скважину по замкнутому циркуляционному циклу посредством прокачивания через установку для циркуляции и регенерации саморазрушающейся пены путем нагнетания саморазрушающейся пены в колонну бурильных труб, направления потока саморазрушающейся пены со шламом горной породы после выноса из скважины по желобной системе в отстойник на регенерацию, выдерживания в отстойнике до саморазрушения, возвращения на стадию добавления газообразного агента для повторного вспенивания и возвращения в скважину. В качестве пенообразующей композиции используют композицию саморазрушающейся пены на основе карбамидных смол, предварительно модифицированных хлоридом аммония, сульфанола, хлоридов металлов второй группы и воды. Обеспечивает высокие показатели технических характеристик пены таких, как период полураспада и кратность пены, а также стабильность и устойчивость пены, улучшение экологической обстановки вокруг скважины, снижение себестоимости работ. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил., 9 табл.
Изобретение относится к способам бурения скважин с использованием в качестве очистного агента газообразных текучих сред, например пен, и может быть использовано для бурения горных пород, многолетнемерзлых пород и зон с аномально низким пластовым давлением.
Заявляемое изобретение относится к приоритетному направлению развития науки и технологий «Технологии экологически безопасной разработки месторождений и добычи полезных ископаемых» [Алфавитно-предметный указатель к Международной патентной классификации по приоритетным направлениям развития науки и технологий / Ю.Г. Смирнов, Е.В. Скиданова, С.А. Краснов. - М.: ПАТЕНТ, 2008. - с.112], так как позволит улучшить экологическую обстановку на объектах буровых работ, исключая засорение территории пеной.
В последние годы в отечественной и зарубежной практике проводки скважин получает все более широкое распространение метод бурения с использованием газожидкостных смесей (ГЖС). Сравнительно быстрый рост объемов бурения этим способом объясняется тем, что его применение улучшает технико-экономические показатели сооружения скважин. Ряд положительных свойств пены, сочетающей в себе преимущества воздуха и буровых растворов, позволяет получить значительный экономический эффект и улучшить экологическую обстановку на объектах буровых работ.
[Амиян В.А., Амиян А.В., Казакевич Л.В., Бекиш Е.Н. Применение пенных систем в нефтегазодобыче. - М.: Недра, 1987.-229 с]
Тем не менее, основным недостатком применения пен в технологическом режиме промывки является их высокая стабильность, что не позволяет осуществить замкнутую циркуляцию очистного агента. Это требует применения дополнительных технических средств и специального оборудования для пеногашения и приводит к необоснованным затратам дорогостоящих реагентов пеногасителей, а главное невозможность повторного использования пенообразующего раствора.
В то же время высокая стабильность пен в состоянии покоя при бурении скважин технологически неоправданна. После остановки бурения и подъема колонны бурильных труб в скважине остается пена, содержащая выбуренную породу. Из пены происходит истечение пенообразующей жидкости вместе с тонкоизмельченной породой. Жидкость или уходит в трещины, или накапливается на забое. Помимо этого в скважину поступает пластовая вода, так что на забой всегда поступает жидкость, независимо от того будет пена разрушаться полностью или нет. Выбуренная порода, содержащаяся в пене, едва ли будет способствовать проявлению осложнений в скважине (прихваты снаряда) после полного разрушения пены, так как содержание ее в пене невелико.
За прототип принят способ бурения скважины (Патент RU 2435018, МПК Е21В 21/14 (2006.01), С09К 8/38 (2006.01), Патентообладатель -КЛИАРВОТЕР ИНТЕРНЭШНЛ, ЭлЭлСи (US), опубликовано 27.11.2011), включающий циркулирование системы углеводородной буровой жидкости, включающей углеводородную жидкость и эффективное количество пенообразующей композиции, добавляемой в нефтяную или газовую скважину, где пенообразующая композиция состоит из пенообразующего агента и стабилизирующего полимера, достаточного для образования пены, устойчивой при температуре 350°F, добавление органофильного газа в жидкость со скоростью, достаточной для образования пенного бурового раствора, имеющего необходимый сниженный вес столба жидкости, в котором увеличивается скорость уноса жидкости, увеличенного количества бурового шлама и других продуктов бурения из скважины, удаление вспененной буровой жидкости из скважины. Известный способ включает также стадию разрушения пены при помощи достаточного количества пеноподавляющего агента и дополнительно стадию повторения рециркуляции, добавления газа и этапов разрушения пены, с добавлением или без добавления дополнительного количества пенной композиции или ее компонентов.
Признаками, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются: пенообразующая композиция состоящая из пенообразующего агента и стабилизирующего полимера достаточного для образования пены, имеющей сниженный вес столба жидкости, в котором увеличивается скорость уноса бурового шлама.
Недостатками известного способа по патенту RU №2435018 являются:
1) необходимость включения в способ - стадии разрушения пены при помощи достаточного количества пеноподавляющего агента;
2) невозможность использования жидкости, полученной после разрушения пены для повторного ее вспенивания из-за наличия пеноподавляющего агента.
За прототип принята установка для бурения скважин с очисткой забоя пеной (патент RU 2268985, Е21В 21/14 (2006.01), опубликовано 27.01.2006).
Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, является: наличие циркуляционной системы, устройства для генерации пены и подачи ее в колонну бурильных труб, устьевого герметизатора и блока разрушения пены.
Недостатком известной установки по патенту RU №2268985 является то, что для подавления пены установка оснащена сложным блоком разрушения пены, состоящим из сепаратора-дегазатора низкого давления и устройства для подачи деэмульгатора.
За прототип принята композиция пенообразующего состава для бурения (патент RU 2268283, С09К 8/38 (2006.01), опубликовано: 20.01.2006), содержащая поверхностно-активное вещество, стабилизатор, воду, регулятор жесткости воды в виде силиката натрия, смазывающую добавку в виде эмульсии ВНИИНП-117, в качестве стабилизатора устойчивости пены - полиакриламид и в качестве поверхностно-активного вещества - сульфонол при следующем соотношении компонентов, мас.%: сульфонол 0,8-1,5, силикат натрия 0,2-0,5, полиакриламид 0,1-0,5, ВНИИНП-117 0,5-2, вода остальное.
Признаками, совпадающими с существенными признаками заявляемого способа, являются: наличие в составе пенообразующей композиции поверхностно-активного вещества, стабилизатора, воды.
Недостатками известного способа по патенту RU №2268283 являются: отсутствие в составе пенной композиции агента дестабилизатора пены, обеспечивающего саморазрушение пены и позволяющего использовать полученную жидкость с последующим вспениванием ее при нагнетании и подаче воздуха в замкнутом циркуляционном цикле.
Изобретение направлено на повышение эффективности применения технологии бурения с пенами путем создания составов пен, способных работать в замкнутом циркуляционном цикле, стабильных при циркуляции с заданной скоростью в скважине и с регулируемыми сроками саморазрушения в состоянии покоя после выхода их из скважины, то есть не требующих применения специального оборудования для принудительного их разрушения. Изобретение направлено также на разработку эффективного, экологичного способа бурения скважин по замкнутому циркуляционному циклу на саморазрушающейся пене и более простого устройство для его осуществления.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении эффективности бурения при высоком уровне экологичности технологии за счет обеспечения возможности контролирования сроков разрушения пены в результате ее способности саморазрушения при переходе в состояние покоя и обеспечения возможности ее регенерации в замкнутом цикле. Кроме этого, технический результат заключается в обеспечении высоких показателей таких технических характеристик пены, как период полураспада и кратность пены, а также стабильность и устойчивость пены. Технический результат заявляемого изобретения заключается также в создании улучшенной экологической обстановки вокруг скважины благодаря возможности повторного использования пенообразующей жидкости. Это, в свою очередь, позволяет снизить себестоимость работ из-за отсутствия необходимости применения дополнительных устройств: пеногасителей и уменьшение расхода реагентов для получения пены из-за обеспечения замкнутого циркуляционного цикла. Другими словами, группа заявляемых изобретений позволяет получать структурированную пену в скважине, саморазрушаемую в отстойнике (деструктурируемый раствор) и вновь структурируемую при нагнетании пенообразующей жидкости и воздуха в скважину.
Технический результат заявляемого изобретения достигается тем, что в способе бурения скважин, включающем циркулирование системы буровой жидкости и эффективного количества пенообразующей композиции, состоящей из пенообразующего агента и стабилизирующего полимера, добавление газообразного агента в жидкость со скоростью, достаточной для образования пенного бурового раствора, и удаление вспененной буровой жидкости из скважины, согласно изобретению, процесс бурения осуществляют на саморазрушающейся пене, которую подают в скважину по замкнутому циркуляционному циклу посредством прокачивания через установку для циркуляции и регенерации саморазрушающейся пены путем нагнетания саморазрушающейся пены в колонну бурильных труб, направления потока саморазрушающейся пены со шламом горной породы после выноса из скважины по желобной системе в отстойник на регенерацию, выдерживания в отстойнике до саморазрушения, возвращения на стадию добавления газообразного агента для повторного вспенивания и возвращения в скважину, при этом в качестве пенообразующей композиции используют композицию саморазрушающейся пены на основе карбамидных смол, предварительно обработанных хлоридом аммония, сульфанола, хлоридов металлов второй группы и воды.
Выдерживание в отстойнике пены со шламом горных пород, по крайней мере, в течении трех минут достаточно для саморазрушения пены.
Технический результат заявляемого изобретения достигается при использовании композиции саморазрушающейся пены на основе любых карбамидных смол, например, при использовании смолы марки КФ-Ж, предварительно модифицированной хлоридом аммония 1-3 мас.% по отношению, а также при использовании в качестве хлорида металла второй группы хлорид кальция.
Технический результат заявляемого изобретения достигается тем, что установка для циркуляции и регенерации саморазрушающейся пены, включающая циркуляционную систему, состоящую из устройства для генерации пены и подачи ее в колонну бурильных труб, устьевого герметизатора и блока разрушения пены, согласно изобретению, дополнительно содержит желобную систему, сообщенную с устьевым герметизатором, а блок разрушения пены выполнен в виде отстойника. При этом для уменьшения скорости потока шламовой пены в отстойнике выполнены вертикальные перегородки высотой, обеспечивающей свободное ее перетекание, например высотой, составляющей 1/3-2/3 от высоты отстойника.
Технический результат заявляемого изобретения достигается тем, что композиция саморазрушающейся пены, включающая стабилизирующий полимер, сульфанол и воду, согласно изобретению, дополнительно содержит хлорид кальция, а в качестве стабилизирующего полимера карбамидную смолу, предварительно модифицированную хлоридом аммония при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Компоненты пенообразующей жидкости | Соотношение компонентов, мас.% |
| сульфанол | 2,5-3,0 |
| карбамидная смола, | |
| модифицированная хлоридом аммония | 6,25-7,0 |
| хлорид кальций | 0,5-1,5 |
| вода | остальное |
Технический результат заявляемого изобретения достигается тем, что в качестве карбамидной смолы используют смолу марки КФ-Ж, причем используют карбамидную смолу, предварительно обработанную 1-3 мас.% хлорида аммония.
Другими словами, технический результат заявляемого изобретения достигается тем, что в заявляемом способе используется заявляемая композиция, образующая стабильную при циркуляции и легко разрушаемую в статике пену, содержит в своем составе пенообразователь, стабилизатор и дестабилизатор, механизм действия, которых зависит от режима течения пены. При этом не происходит накопления пены вокруг буровой, улучшается экосистема, позволяющая повторное использование пенообразующей жидкости.
Заявляемая группа изобретений связаны между собой настолько, что образуют единый изобретательский замысел, так как заявляемая установка для циркуляции и регенерации саморазрушающейся пены и заявляемая композиция саморазрушающейся пены предназначены для осуществления заявляемого способа.
Новые отличительные признаки заявляемых способа, устройства и композиции, представляют собой совокупность средств, обеспечивающих возможность бурения скважины по замкнутому циркуляционному циклу с достижением заявленного технического результата, что подтверждает соответствие их соответствие условию патентоспособности «промышленная применимость.
Отличия от соответствующих прототипов заявляемого способа, устройства и композиции доказывает их соответствие условию патентоспособности «новизна.
Карбамидиая (мочевиноформальдегидная) смола КФ-Ж получается при конденсации мочевины с формальдегидом. Это водный раствор олигомеров с молекулярной массой, не превышающей 700-11000 и степенью поликонденсации 2-7. Содержание сухого остатка в КФ-Ж 62%, свободного формальдегида не более 1,0%, рН 7,0-8,5.
Пена - это многофазная дисперсия (газожидкостная система), имеющая ячеисто-пленочную структуру, образованную множеством пузырьков, разделенных сравнительно тонкими пленками жидкости. Пена представляет собой высококонцентрированную дисперсную систему, в которой дисперсной фазой является газ, а дисперсионной средой - жидкость. Для получения пены в системе жидкость - газ необходимо присутствие третьего компонента. Вещества, находящиеся в жидкости или прибавляемые к ней и образующие пену, называют поверхностно-активными (ПАВ) или пенообразователями. Жидкости без ПАВ сколько-нибудь устойчивой пены не дают. Газообразная фаза в этом типе ГЖС составляет основную часть объема. При содержании газа в пене 60-96% поведение ее аналогично поведению бингамовской пластичной жидкости.
Оказывают влияние на свойства пены также внешние факторы: температура, давление, влажность, щелочность среды, наличие твердой фазы. Необходимым и во многих случаях достаточной составной частью пены является раствор ПАВ. В этот раствор могут дополнительно вводиться добавки стабилизаторов, антифризов, понизителей жесткости. Роль стабилизаторов сводится к повышению стабильности пены за счет увеличения вязкости пенообразующего раствора.
Прочность и продолжительность существования пены зависят от свойств пленочного каркаса. От типичных пен, представляющих высококонцентрированные дисперсии газа в жидкости, следует отличать низкоконцентрированные системы газ - жидкость, в которых газовые пузырьки находятся на сравнительно большом расстоянии друг от друга. Примером такой дисперсной системы может служить газированная вода, содержащая пузырьки двуокиси углерода. Благодаря большой разнице в плотностях жидкой и газовой фаз такие системы обладают очень малой седиментационной устойчивостью и существуют непродолжительное время. Пеной может быть не всякая дисперсная система типа газ жидкость, а только ячеисто-пленочная, т.е. такая, в которой отдельные пузырьки связаны друг с другом разделяющими их пленками в общий каркас.
Основной принцип, по которому чаще всего разрабатывают рецептуры - это увеличение кратности и стабильности пен. Чем выше пенообразующая способность растворов, тем в более широких пределах возможна регулировка параметров пен и пенных потоков. Под стабильностью (устойчивостью) пен в зависимости от цели можно понимать два параметра. Первый - это период полураспада пены, т.е. время разрушения половины объема пены, что характеризует жизнестойкость пены как таковой. Второй - время истечения 50% жидкости из пены. Этот параметр дает представление о периоде сохранения заданных структурно-механических свойств пены (определяется при нагнетании пены в пласт для снижения водопритоков), а также о воздействии фильтрата пенообразующего состава на водочувствительные породы (чем меньше скорость истечения жидкости из пены, тем меньше она будет оказывать влияние на породы).
Оба параметра характеризуют пену в статике. Так как пена является гетерогенной системой, то в состоянии покоя в ней будут происходить непрерывные изменения вплоть до полного разрушения. При высоких скоростях деформации (движение в затрубном пространстве при вращающейся колонне бурильных труб) пена стабильна и оба процесса отсутствуют.
В бурении используют пены на основе водных растворов различных пенообразователей - сульфанола, сульфаната, пенола, ОП-7, ОП-10 и др. Эти пены, так как в них единственные компонентом является пенообразователь, характеризуются высокой скоростью истечения пенообразующей жидкости и низкой скоростью разрушения в состоянии покоя.
Упругостью могут обладать только пленки, полученные из раствора поверхностно-активных веществ. Пленки из индивидуальных жидкостей (аэрированная вода), обладающих постоянным поверхностным натяжением, не изменяющимся при их растяжении или сжатии, лишены подобной упругости, и поэтому получить из них пену невозможно.
В целом регулирование стабильности пены должно осуществляться созданием расклинивающего давления, путем регулирования скорости истечения меж пленочной жидкости (регулирование времени истечения 50% пенообразующей жидкости), что связано с понижением эластичности пленок пузырьков пены.
Особенностью пен как ячеистых систем является резкое различие кривизны жидкости в пленке в тех участках, где сходятся три пленки (эта область называется областью Плато), образуя ребра. Капиллярное давление жидкости в пленке тем меньше, чем больше кривизна ее поверхности. Поэтому капиллярное давление способствует перетеканию жидкости из пленок в области Плато. В полидисперсных пенах различные области Плато обладают неодинаковой кривизной. Поэтому капиллярные силы способствуют также переносу жидкости из одних утолщений (с меньшей кривизной) в другие. В пенном столбе возникает, кроме того, гидростатическое давление, вызывая стекание жидкости из пены в расположенный под ней раствор. Положительное расклинивающее давление так же препятствует утончению пленок пены. Под «расклиниванием» понимается стремление слоя увеличить свою величину.
Для обеспечения устойчивости пенных пленок необходимо иметь в системе разбавленного водного раствора положительное расклинивающее давление, и эта устойчивость будет зависеть от концентрации электролита, при которой пленка теряет пузырек пены вследствие потери эластичности.
В таких пленках должно происходить мощное структурообразование с возникновением агрегатов. Количество и величина агрегатов будут зависеть от концентрации электролита. В промежутках между агрегатами адсорбционный слой будет разряжаться. После перехода всех молекул компонентов пленки в агрегированное состояние может образоваться структура по типу «решетки», ячейки которой будут представлены водой с крайне малым содержанием молекул пенообразователя. В результате возникновения разницы между поверхностным натяжением в агрегатах и промежутках между ними пленка будет находиться в напряженном состоянии, и локальные деформации приведут к разрыву пленки.
С точки зрения использования пены в качестве очистного агента при бурении скважин существенными являются и реологические, структурно-механические и теплофизические свойства. Прежде всего, перечисленные свойства пены определяются составом (качеством) пенообразующего раствора, кратностью пены и ее дисперсностью. Качество пенообразующего раствора определяется типом и концентрацией ПАВ, типом растворителя, наличием тех или иных добавок. Оказывают влияние на свойства пены также внешние факторы: температура, давление, влажность, щелочность среды, наличие твердой фазы. Необходимым и во многих случаях достаточной составной частью пены является раствор ПАВ. В этот раствор могут дополнительно вводиться добавки стабилизаторов, антифризов, понизителей жесткости. Роль стабилизаторов сводится к повышению стабильности пены за счет увеличения вязкости пенообразующего раствора.
Получение заявляемого технического результата при разработке технологии бурения с пенами, а именно возможность регулирования сроков саморазрушения пен, путем введения в состав пены карбамидной смолы и водорастворимой соли хлорида кальция не было известно из уровня техники и не следовало для специалиста данной области явным образом. В заявляемой совокупности признаков хлорид кальция в пенообразующем составе в сочетании с карбамидной смолой в заявляемых соотношениях начинает проявлять новую функцию по регулированию сроков жизни саморазрушающейся пены. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Другими словами, введение в пленочный каркас определенного катиона будет способствовать структурообразованию по типу «решетки», в которой катионы играют роль катионов агрегации. Локальные деформации, возникающие вследствие разницы между поверхностным натяжением в агрегатах и промежутках между ними приведут к разрыву пленки. Очевидно, если действует такой механизм, то время жизни пены будет зависеть от вида катиона и содержания его в растворе.
Основными параметрами для изучения пен являются их кратность и стабильность. В качестве характеристики устойчивости пен взят период полураспада.
Для выявления характера процесса разрушения полидисперсных пен, полученных воздушно-механическим способом и не в монослое, а в объеме, проведен следующий эксперимент. Готовили различные объемы пены с примерно одинаковыми параметрами, вспенивали их и определяли кратность и период полураспада. Результаты приведены в табл.1, из которой следует, что при равной кратности период полураспада различных объемов пен одинаков. Таким образом, полидисперсная пена в объеме разрушается по тому же закону, что и монодисперсная в монослое.
Период полураспада является наиболее информативным показателем, так как не зависит от начального объема пены.
Характер процесса разрушения полидисперсных пен
| Таблица 1 | |||
| Объем пенообразующей жидкости, см3 | Объем пены, см3 | Кратность | Период полураспада пены, с |
| 50 | 370 | 7,4 | 350 |
| 75 | 570 | 7,6 | 335 |
| 100 | 750 | 7,5 | 335 |
| 125 | 940 | 7,5 | 325 |
Способ получения пен с регулируемыми сроками разрушения реализуется следующим образом.
Пена получается одним из известных способов: в приемочной емкости (зумпф) приготавливается в заданном соотношении водный раствор: карбамидная смола, пенообразователь (сульфанол) и хлорид кальция. Приготовление осуществляется перемешиванием названных компонентов вручную или малооборотистой мешалкой для предотвращения предварительного вспенивания смеси. Далее водный раствор нагнетается буровым насосом, а воздух подается компрессором (или другим типом аэратора). С помощью компрессорно-дожимного устройства пенообразующий состав перемешивается и буровым насосом нагнетается по бурильным трубам в скважину и по затрубному пространству поступает к устью скважины. Выходящая из скважины пена направляется в отстойник, в котором она в статике деструктируется, т.е. освобождается от воздуха с разрушением ячеистой структуры и пенообразующая жидкость вновь нагнетается центробежным насосом в зумпф. Таким образом, цикл замыкается. Далее пенообразующая жидкость проходя через КДУ при работающем компрессоре вновь образует в скважине структурированную пену.
В качестве реагентов, регулирующих срок жизни пены взяты соли в виде хлоридов натрия, калия, магния, кальция, бария, никеля, алюминия и сульфата меди. Исследованы две области концентрации солей в растворе: от 0 до 0,5 мас.% и от 0,5 до 10 мас.%.
| Таблица 2 | ||||||||||
| Изменение технологических параметров пены под влиянием солей одно-, двух- и трехвалентных катионов | ||||||||||
| Содержание в растворе, мас.%: | Параметры пены | |||||||||
| NaCl | KCl | MgCl2 | CaCl2 | BaCl2 | NiCl2 | CuSO4 | AlCl3 | Период полураспада, с | кратность | Время истечения 50% пенообразующей жидкости из пены, с |
| - | - | - | - | - | - | - | - | 2400 | 9,4 | 360 |
| 3,0-5,0 | - | - | - | - | - | - | - | 1500 | 8,4-8,3 | 330-300 |
| - | ,01-0,05 | - | - | - | - | - | - | 1200 | 8,6 | 360 |
| - | 1,0-3,0 | - | - | - | - | - | - | 1500 | 8,4-7,8 | 330-250 |
| - | - | 10,0-30,0 | - | - | - | - | - | 2100 | 4,9-5,2 | 225 |
| - | - | - | 1,0-3,0 | - | - | - | - | 240-15 | 3,5-2,0 | 130-5 |
| - | - | - | 0,8-3,0 | - | - | - | 600-3 | 6,8-1,5 | 480-2 | |
| - | - | - | - | - | 0,03-0,07 | - | - | 1500-1000 | 6,6-5,5 | 380-360 |
| - | - | - | - | - | 5-0,50 | - | - | 1000-600 | 3,7-2,9 | 200-100 |
| - | - | - | - | - | - | 0,2-0,5 | - | 980-570 | 3,9-3,0 | 340-100 |
| - | - | - | - | - | 1,5-5,0 | 1100-800 | 4,1-3,8 | 180-80 |
Для катионов первой группы (натрий и калий) обнаружено две области концентраций 0,01-0,1 мас.% и 0,5-2,0 мас.%, в которой наблюдается некоторое уменьшение периода полураспада пены (для катиона калия более существенное - в два раза при содержании соли в растворе 0,02-0,05 мас.%). Из чего следует, что катионы первой группы не являются эффективными регуляторами технологических параметров пен.
Катионы второй группы понижают кратность пен существенно - в 2-6 раз. По эффекту действия на кратность пены они располагаются в ряд: Ba2+>Ca2+>Ni2+≈Cu2+>Mg2+.
Наименее существенно влияние катионов магния. Для всех исследований катионов второй группы, кроме магния имеется область концентраций в которой период полураспада пены снижается, наиболее эффективно действуют катионы бария и кальция. По степени снижения периода полураспада, катионы второй группы располагаются в аналогичный, приведенному выше ряд: Ba2+>Ca2+>Ni2+≈Cu2+>Mg2+.
Трехвалентный катион алюминия уменьшает кратность пены в 2 раза; в 7 раз - время истечения 50% пенообразующей жидкости и в 3 раза снижает период полураспада.
Анализ результатов исследований позволяет составить следующий ряд катионов как регуляторов времени разрушения пены:
Ва2+>Са2+>Ni2+≈Cu2+>Al3+>К+≈Na+>Mg2+.
Наиболее эффективными регуляторами времени разрушения пены является катионы бария и кальция. Очевидно, при введении в нее пенообразующую жидкость происходят кардинальные изменения в структуре пены и в коллоидных свойствах пенообразующей жидкости.
При увеличении содержания хлоридов кальция и бария визуально наблюдается структурирование пены вплоть до творогоподобной быстроразрушающейся массы с быстрым истечением жидкости. Это сопровождается вначале ростом времени истечения 50% пенообразующей жидкости из пен до определенной критической концентрации, после чего происходит резкое его падение до величин многократно ниже первоначальных вследствие лавинообразного разрушения пены. То, что в определенной области концентраций падение стабильности пен приводит к росту времени истечения пенообразующих жидкостей из этих пен, говорит о том, что процесс истечения межпленочных жидкостей затруднен вследствие структурных изменений в сторону увеличения показателей как в пенообразующих жидкостях, так и в пленках.
Эти процессы рассматривались в статике. При больших скоростях деформации, будь то смеситель или скважина, пены данного типа сохраняют стабильность. При истечении межпленочной жидкости из пены в состоянии покоя происходит утоньшение пленок пузырьков и, видимо, при достижении определенной толщины пленки становятся очень жесткими, можно сказать "хрупкими", причем толщина хрупких планок гораздо больше, чем толщина пленок стабильных пен, при которой происходит схлопывание пузырьков. При определенном соотношении компонентов пена начинает интенсивно разрушаться по всему объему сразу же после прекращения вспенивания, т.е. полученная пена в момент прекращения деформации имеет ту критическую толщину пленок, при которой пена разрушается, причем критическая величина толщины пленок зависит от соотношения компонентов в составе, и, прежде всего, хлоридов кальция и бария.
Установлено:
- период полураспада пен зависит от содержания в растворе соли двухвалентного металла II группы, а с увеличением концентрации соли период полураспада пен уменьшается;
- соли одновалентных элементов калия, натрия и трехвалентного алюминия не могут быть применены для регулирования сроков разрушения пен ввиду многоэкстремальной их зависимости от концентрации;
- сроки разрушения пен зависят от содержания в растворе катионов меди и никеля, однако уменьшение периода полураспада с увеличением концентрации катионов сопровождается интенсивным снижением кратности пены;
- для практических целей при создании пен с регулируемыми сроками разрушения, могут быть рекомендованы только соли кальция;
- в условиях стабилизации пен глинами в процессе бурения, уменьшение периода полураспада пен может быть достигнуто введением в раствор повышенного количества хлористого кальция.
Токсикологические данные показывают, что в качестве регулятора периода полураспада пен следует использовать только соли кальция, т.к. добавка Mg2+ не способствует разрушению пен, а Ва2+ - токсичен.
Определено влияние в составе композиции эмульгаторов и структурообразователя - карбамидной смолы.
В проектировании состава пенообразующего раствора решающим является выбор пенообразователя. Наиболее предпочтительны пенообразователи неионогенного и анионактивного типов. Общим недостатком катионных ПАВ применительно к бурению является их токсичность, низкая биоразлагаемость, дефицитность и высокая стоимость. Для приготовления пенных промывочных систем наиболее приемлемы неионогенные оксиэтилированные ПАВ типа: оксиэтилированных спиртов, алканоламидов, алкилфенолов; а также анионактивные ПАВ типа: сульфатов или сульфонатов.
В качестве поверхностно-активного вещества - пенообразователя исследован анионный ПАВ, алкилбензолсульфонат натрия - сульфанол.
| Влияние концентрации сульфанола на технологические параметры пен | ||||
| Таблица 3 | ||||
| Содержание, мас.% | Параметры пены | |||
| Карбамидной смолы КФ-Ж | Сульфанола | Кратность | Период полураспада, с | Время истечения 50% пенобразующей жидкости, с |
| 6,25 | 0,5 | 4,7 | 1200 | 605 |
| 6,25 | 1 | 5,4 | 1640 | 530 |
| 6,25 | 1,5 | 6,2 | 1900 | 480 |
| 6,25 | 2,0 | 6,9 | 2310 | 410 |
| 6,25 | 2,5 | 7,2 | 2630 | 386 |
| 6,25 | 3 | 7,5 | 2700 | 385 |
| 6,25 | 3,5 | 7,3 | 2820 | 302 |
| 6,25 | 4 | 7,5 | 2820 | 265 |
| 6,25 | 4,5 | 7,8 | 2860 | 249 |
| 6,25 | 5 | 8,2 | 2900 | 232 |
| Параметры кратности пены в зависимости от концентрации сульфанола |
| Таблица 4 | |
| Концентрация сульфанола, мас.% | Кратность пены |
| 2,0 | 6,9 |
| 2,5 | 7,2 |
| 3 | 7,5 |
| 3,5 | 7,3 |
| 4 | 7,5 |
| Влияние концентрации карбамидной смолы на технологические параметры пен |
| Таблица 5 | ||||
| Содержание, мас.% | Параметры пены | |||
| Карбамидной смолы КФ-Ж | Сульфанола | Кратность | Период полураспада, с | Время истечения 50% пенобразующей жидкости, с |
| 5,0 | 2.5 | 5 | 2700 | 360 |
| 5,5 | 2.5 | 5,9 | 2680 | 365 |
| 6 | 2.5 | 6,7 | 2640 | 370 |
| 6,25 | 2.5 | 7,2 | 2610 | 386 |
| 7 | 2.5 | 7,4 | 2600 | 405 |
| 7,5 | 2,5 | 7,4 | 2580 | 405 |
| 8 | 2,5 | 7,5 | 2560 | 407 |
| 8,5 | 2,5 | 7,7 | 2510 | 411 |
| 9 | 2,5 | 7,9 | 2500 | 415 |
| 10,0 | 2.5 | 8,1 | 2460 | 420 |
В целом регулирование стабильности пены должно осуществляться на создании расклинивающего давления, путем регулирования скорости истечения межпленочной жидкости (регулирование времени истечения 50% пенообразующей жидкости), что связано с понижением эластичности пленок пузырьков пены.
| Параметры устойчивости пены в зависимости от концентрации карбамидной смолы КФ-Ж | |
| Таблица 6 | |
| Концентрация карбамидной | Время истечения 50% пенобразующей |
| смолы, мас.% | жидкости, с |
| 5,5 | 365 |
| 6 | 370 |
| 6,25 | 386 |
| 7 | 405 |
| 7,5 | 405 |
| 8 | 407 |
Экспериментально на опытной лабораторной установке найдено оптимальное соотношение компонентов в композиции массовое отношение: сульфанол: смола КФ-Ж=1:2,5.
Установлено изменение параметров пен от содержания хлорида кальция, при этом за базовую пенообразующую композицию взят состав (мас.%): карбамидная смола - 6,25 и сульфанол - 2,5 (табл.7).
Введение в композицию карбамидной смолы ниже 6,25 и выше 7,0 мас.% не целесообразно, поскольку только в заявляемом интервале получается пена, удовлетворяющая по стабильности (период полураспада и время истечения 50%) пенообразующей жидкости) технологическим параметры пены для условий бурения. Использование пенообразователя сульфанола в пределах: 2,5-3 мас.%), также обеспечивает достаточную технологическим режимом пену по ее кратности. Введение хлорида кальция в композицию ниже 0,5 мас.% значительно увеличивает сроки разрушения пены, например при 0,4 мас.% - более 5 минут, что не обеспечивает непрерывный замкнутый цикл циркуляции. Введение хлорида кальция в композицию выше 0,5 мас.% уменьшает далее сроки жизни пены, но технологически не оправдано.
| Таблица 7 | |||||
| Содержание, мас.% | Параметры пены | ||||
| КФ-Ж | Сульфанол | Хлорид кальция | Кратность | Период полураспала, с | Время истечения 50% пенобразующей жидкости, с |
| 6,25 | 2,5 | 0 | 7,2 | 2630 | 386 |
| 6,25 | 2,5 | 0,05 | 8,3 | 2300 | 335 |
| 6,25 | 2,5 | 0,1 | 7,6 | 2100 | 350 |
| 6,25 | 2,5 | 0,15 | 7,3 | 1950 | 378 |
| 6,25 | 2,5 | 0,2 | 6,9 | 1450 | 425 |
| 6,25 | 2,5 | 0,25 | 6,7 | 1200 | 475 |
| 6,25 | 2,5 | 0,3 | 6,35 | 900 | 480 |
| 6,25 | 2,5 | 0,35 | 6 | 650 | 440 |
| 6,25 | 2,5 | 0,4 | 5,8 | 410 | 363 |
| 6,25 | 2,5 | 0,45 | 5,5 | 320 | 300 |
| 6,25 | 2,5 | 0,5 | 5 | 320 | 238 |
| 6,25 | 2,5 | 1,5 | 3,4 | 200 | 60 |
| 6,25 | 2,5 | 2,5 | 2,5 | 100 | 5 |
| Параметры времени жизни пены в зависимости концентрации хлорида кальция |
| Таблица 8 | |
| Конценрация хлорида кальция, мас.% | Период полураспада, с |
| 0,4 | 410 |
| 0,45 | 320 |
| 0,5 | 320 |
| 1,5 | 200 |
| 2,5 | 100 |
С увеличением содержания хлорида кальция в растворе уменьшается период полураспада и кратность пены, а стабильность и устойчивость пены в значительной степени определяется содержанием в растворе карбамидной смолы. По периоду полураспада, целесообразно для условий геологоразведочного бурения, иметь пены, имеющие этот показатель в пределах: трех минут и менее. По этому показателю целесообразно определить область содержания хлорида кальция для саморазрушаемых пен: 0,5-1,5 мас.%.
Как избыток, так и недостаток карбамидной смолы приводит к повышению стабильности пен, и в этом случае введение хлорида кальция или не влияет на период полураспада, или увеличивает его.
Исследования показали, что при получении быстроразрушающихся пен должно соблюдаться строгое соотношение компонентов, что практически трудно сделать в условиях буровой. Проблема решается путем приготовления композиции, содержащей все три компонента в оптимальном соотношении.
Пенообразующий состав по заявляемому изобретению включает в себя сульфанол, карбамидную смолу КФ-Ж, хлорид кальция и воду при следующем соотношении компонентов.
Пенообразующий состав с регулируемыми сроками разрушения пены:
| Компоненты пенообразующего состава | Соотношение компонентов, мас.%. |
| сульфанол | 2,5-3,0 |
| карбамидная смола, предварительно | |
| модифицированная хлоридом аммония | 6,25-7,0 |
| хлорид кальций | 0,5-1,5 |
| вода | остальное |
Состав имеет хорошую пенообразующую способностью, образует высокоструктуированные пены, обладающие как вязким течением, так и упругим восстановлением формы при напряжениях не превышающих предел текучести.
Решая задачу получения малотоксичной композиции можно сделать вывод, что наиболее токсичным компонентом ее состава является свободный формальдегид. Он не является специальной добавкой, определяющей технологические свойства пен, а вносится вместе с карбамидной смолой, в которой всегда присутствует как остаточный компонент после реакции поликонденсации формальдегида и мочевины. Содержание несвязанного формальдегида в карбамидной смоле осуществляли добавками хлорида аммония.
| Влияние хлорида аммония на содержание свободного формальдегида и свойства пен | |||
| Таблица 9 | |||
| Молярное соотношение: формальдегид/хлорид аммония | Содержание формальдегида | Параметры пены | |
| Кратность | Период полураспада, с | ||
| - | 0,65 | 4,0 | 600 |
| 1:1 | 0 | 4,0 | 600 |
| 1:2 | 0 | 4,8 | 420 |
Уже через 15 минут после введения хлорида аммония содержание формальдегида в смоле снизилось за предел чувствительности метода анализа при этом технологические параметры пены не ухудшились. Установленное содержание хлорида аммония по отношению к карбамидной смоле, мас.% - (1-3).
При экспериментальном испытании заявляемого изобретения в промышленных условиях при бурении в Таежной ГРП на скважине №1067 (буровой агрегат №21) для образования пены использовались дожимное устройство. Расход пенообразующего состава - 13 л/мин, расход воздуха 500 л/мин. Интервал 1,0-27,5 м. бурился твердосплавными и алмазными коронками диаметрами 161 мм (1,0-1,5 м), 132 мм (1,5-3,2), 112 мм (3,2-27,5 м) с использованием пенообразующего состава, включающего, мас.%: сульфанол - 3; карбамидную смолу КФ-Ж, предварительно модифицированную хлоридом аммония - 6,5; хлористый: кальций - 0,5.
Средний выход керна в интервале 1,0-7,2 м составил 48%, в интервале 7,2-18,2 м - 80%, в интервале 18,2-27,5 м - 86%. Давление нагнетания при бурении интервала 25,7-27,5 м составляло 0,2-0,МПа. Пена во время бурения выходила на поверхность и была насыщена шламом выбуренной породы.
За время бурения по заявляемому изобретению экспериментальном пенообразующем составе в течение трех смен около бурового здания не образовалось скопления пены, что обычно происходит при бурении с применением пен. Радиус растекания пены во время бурения не превышал 0,5-2 м. При отключении компрессорно-дожимного устройства (КДУ) пена под буровой разрушалась полностью за период времени от 30 секунд (интервал бурения 1,0-7,2 м) до 10-15 минут далее. Полученные результаты соответствуют табличным данным. На устье скважины пена выходила высокоструктурированная. При движении поток пены разламывался на отдельные участки. С поверхности и на границе потока происходило интенсивное схлопывание пузырьков. В процессе бурения скопления шлама на забое не наблюдалось.
Таким образом, применением заявляемого способа получения пен с регулируемыми сроками разрушения при экспериментальном бурении позволило решить следующие задачи:
- пена, полученная из предложенного состава, обладает хорошей прокачиваемостью в линии обвязки буровой скважины;
- в состоянии покоя пена быстро разрушается;
- хорошо выносит шлам выбуренной породы;
- при бурении с экспериментальным пенообразующим составом отпадает необходимость принудительного гашения пены;
- отмечен результат, когда пена разрушалась полностью за 30 секунд.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 схематически представлена заявляемая установка для циркуляции и регенерации саморазрушающейся пены, поясняющая схему обвязки устья скважины при получении пены с регулируемыми сроками разрушения и создании замкнутого цикла циркуляции. Элементы установки обозначены следующими цифровыми позициями:
1 - зумпф;
2 - буровой насос;
3 - всасывающий трубопровод;
4 - нагнетательная линия;
5 - компрессорно-дожимное устройство (КДУ);
6 - буровая установка;
7 - колонна бурильных труб;
8 - компрессор;
9 - породоразрушающий инструмент;
10 - затрубное пространство;
11 - устьевой герметизатор;
12 - желобная система;
13- отстойник;
14 - центробежный насос;
15 - возвратный трубопровод.
На фиг.2 представлена зависимость изменения кратности пены от концентрации пенообразователя (в мас.%).
На фиг.3 представлена зависимость времени истечения 50% пенообразующей жидкости (в секундах) от содержания карбамидной смолы (в мас.%).
На фиг.4 представлена зависимость времени жизни пены (в секундах) от концентрации хлорида кальция (в мас.%).
Установка для циркуляции и регенерации саморазрушающейся пены содержит циркуляционную систему, состоящую из узла генерации пены и подачи ее в колонну бурильных труб 7, устьевого герметизатора 11, желобной системы 12, блока разрушения пены, выполненного в виде отстойника 13, и возвратной линии деструктурированной пены, состоящей из возвратного трубопровода 15 и центробежного насоса 14. Причем для уменьшения скорости потока шламовой пены в отстойнике 13 выполнены вертикальные перегородки (на чертеже не показаны) высотой, обеспечивающей свободное ее перетекание, например в пределах от высоты отстойника 1/3-2/3. Узел генерации пены состоит из зумпфа 1, всасывающего трубопровода 3, бурового насоса 2, компрессорно-дожимного устройства 5 и компрессора 8.
При работе устройства реализуется заявляемый способ. Устройство работает следующим образом.
В зумпфе 1 приготавливается водный раствор композиции саморазрушающейся пены, состоящей из расчетного количества карбамидной смолы, модифицированной хлоридом аммония, пенообразователя и хлорида кальция. Буровой насос 2 через всасывающий трубопровод 3 подает приготовленный водный раствор в блок компрессорно-дожимного устройства 5, где происходит его перемешивание с воздухом, нагнетаемым компрессором 8. Буровая установка 6 направляет полученную пену внутрь колонны бурильных труб 7, компоненты пенообразующей композиции в процессе нагнетания интенсивно перемешиваются, и получается ячеистая, структурированная, стабильная пена. Выходя из под породоразрушающего инструмента 9, пена омывает забой, обогащается шламом выбуренных пород и по затрубному пространству 10 нагнетается к устью скважины, где установлен устьевой герметизатор 11. Попадая в же лобную систему 12 и далее в отстойник 13, пена замедляет движение и в течении, по крайней мере, трех минут деструктурируется, то есть разрушается. При этом происходит интенсивное схлопывание пузырьков и разрушение ячеек пены. Далее центробежный насос 14 подает деструктурированную пену (пенообразующую жидкость) по возвратному трубопроводу 15 в зумпф 1. Далее буровой насос подает полученную после деструктуризации пенообразующую жидкость в компрессорно-дожимное устройство 5, где при включенном компрессоре 8 и подаче воздуха происходит их перемешивание и вновь образование структурированной пены. Циркуляционный цикл замкнулся.
1. Способ бурения скважин, включающий циркулирование системы буровой жидкости и эффективного количества пенообразующей композиции, состоящей из пенообразующего агента и стабилизирующего полимера, добавление газообразного агента в жидкость со скоростью, достаточной для образования пенного бурового раствора, и удаление вспененной буровой жидкости из скважины, отличающийся тем, что процесс бурения осуществляют на саморазрушающейся пене, которую подают в скважину по замкнутому циркуляционному циклу посредством прокачивания через установку для циркуляции и регенерации саморазрушающейся пены путем нагнетания саморазрушающейся пены в колонну бурильных труб, направления потока саморазрушающейся пены со шламом горной породы после выноса из скважины по желобной системе в отстойник на регенерацию, выдерживания в отстойнике до саморазрушения, возвращения на стадию добавления газообразного агента для повторного вспенивания и возвращения в скважину, при этом в качестве пенообразующей композиции используют композицию саморазрушающейся пены на основе карбамидных смол, предварительно модифицированных хлоридом аммония, сульфанола, хлоридов металлов второй группы и воды.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что пену со шламом горных пород выдерживают в отстойнике до саморазрушения, по крайней мере, 3 мин.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве карбамидной смолы используют, например, смолу марки КФ-Ж.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют карбамидную смолу, предварительно модифицированную 1-3 мас.% хлорида аммония.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве хлорида металла второй группы используют хлорид кальция.
6. Установка для циркуляции и регенерации саморазрушающейся пены, включающая циркуляционную систему, состоящую из устройства для генерации пены и подачи ее в колонну бурильных труб, устьевого герметизатора и блока разрушения пены, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит желобную систему, сообщенную с устьевым герметизатором, а блок разрушения пены выполнен в виде отстойника.
7. Установка по п.6, отличающаяся тем, что для уменьшения скорости потока шламовой пены в отстойнике выполнены вертикальные перегородки высотой, обеспечивающей свободное ее перетекание.
8. Композиция саморазрушающейся пены, включающая стабилизирующий полимер, сульфанол и воду, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит хлорид кальция, а в качестве стабилизирующего полимера карбамидную смолу, предварительно модифицированную хлоридом аммония при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| сульфанол | 2,5-3,0 |
| карбамидная смола, модифицированная | |
| хлоридом аммония | 6,25-7,0 |
| хлорид кальций | 0,5-1,5 |
| вода | остальное |
9. Композиция по п.8, отличающаяся тем, что в качестве карбамидной смолы используют смолу марки КФ-Ж.
10. Композиция по п.7, отличающаяся тем, что используют карбамидную смолу, предварительно модифицированную 1-3 мас.% хлорида аммония.
