Способ приготовления водных буровых растворов на основе глины, не агрессивных к глинистым слоям, и обработанная глина

(51)6 09 7/02 НАЦИОНАЛЬНОЕ ПАТЕНТНОЕ ВЕДОМСТВО РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН(54) СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ВОДНЫХ БУРОВЫХ РАСТВОРОВ НА ОСНОВЕ ГЛИ НЫ, НЕ АГРЕССИВНЫХ К ГЛИНИСТЫМ СЛОЯМ, И ОБРАБОТАННАЯ ГЛИНА(57) Настоящее изобретение относится к области бурения нефтяных скважин. Описан способ приготовления водных глиняных буровых растворов, не агрессивных к глинистым слоям, техническим результатом которого является снижение содержания количества свободного агрессивного диспергирующего агента. Способ включает диспергирование в воде глины, диспергирующего агента для разжижения и отличается тем, что глину диспергируют в водном растворе, содержащем необходимое количество диспергирующего агента для разжижения, отделяют глину от водного раствора, содержащего неадсорбированный диспергирующий агент. Затем обработанную таким образом глину диспергируют в воде с целью образования бурового раствора. 8737 Настоящее изобретение относится к области бурения нефтяных скважин, а более точно, к способу приготовления водных буровых растворов на основе глины, не агрессивных к глинистым слоям и обработанной глине. При бурении нефтяной скважины очень часто используются жидкости на водной основе, которые содержат глины, в частности, бентонитовую глину, и различные типы присадок, к которым относятся необходимые диспергирующие агенты, предназначенные для получения требуемых реологических свойств. Если сравнить с нефтяными буровыми растворами, то эти водные буровые растворы обнаруживают преимущества, включающие в себя более низкую стоимость и более низкую способность загрязнения. Однако они имеют недостаток, проявляющийся в агрессивности к глинистым слоям,встречающимся во время бурения скважины, и к глинистым отходам, получающимся в ходе этого бурения. Диспергирование этой глины в раствор ведет к тому, что реологические свойства бурового раствора становятся хуже и боковые стенки буровой скважины подвергаются частичному или, в наихудшем случае, полному разрушению с последующим закупориванием буровой скважины. Агрессивность, в частности, происходит вследствие наличия диспергирующих агентов, обычно полимерного типа, добавляемых в буровой раствор с целью содействия диспергированию бентонитовой глины и обеспечения раствора соответственной текучестью. Вследствие того, что полимерный диспергирующий агент только частично адсорбируется на бентонитовой глине, та часть диспергирующего агента, которая остается свободной в растворе, может, таким образом, также действовать на глинистый слой и на глину, содержащуюся в материале буровых отходов, увеличивая вышеуказанные проблемы. Чтобы устранить или, по крайней мере, уменьшить эти недостатки, в известном уровне техники описывается использование дополнительных присадок (которые, во всяком случае, вызывают увеличение общей стоимости раствора). Например, в патенте США 4.664.818 раскрыта добавка к растворам для бурения скважин, которая состоит из частично гидролизированного сополи (акрилата-акриламида),карбоксиметиловой целлюлозы ис уровнем выше 50 . В патенте Великобритании 2.216.574 для решения вышеуказанной проблемы предлагается в буровой раствор добавлять полиглицерин. В Европейском патенте 333.458 раскрыты смеси растворимых в воде добавок с высоким молекулярным весом, способных образовывать довольно прочные нуклеофильные участки при обработке основаниями, и одной или более солей калия, имеющих довольно высокое щелочное свойство, с целью увеличения водородного показателя бурового раствора до значения выше 9. 2 В патенте США 3.953.336 раскрыто использование буровых растворов на водной основе, содержащих целлюлозную производную. В настоящей заявке раскрыт способ, предназначенный для приготовления буровых растворов, менее агрессивных к глинистым слоям, который устраняет недостатки, присущие известным буровым растворам, благодаря тому, что предлагаемые растворы содержат более чем минимальные количества свободного диспергирующего агента, содержащегося в растворе. В соответствии с этим настоящее изобретение касается способа приготовления водного бурового раствора на глиняной основе, не агрессивного к глинистым слоям, включающего в себя) диспергирование глины в водном растворе,содержащем необходимое количество диспергирующего агента для разжижения бурового раствора) отделение глины от водного раствора, содержащего неадсорбированный диспергирующий агент) повторное диспергирование в воде обработанной вышеуказанным образом глины для получения бурового раствора. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления используемой для приготовления бурового раствора глины является бентонитовая глина. Чаще всего используемыми диспергирующими агентами для разжижения основанных на бентонитовой глине буровых растворов являются лигносульфонаты, лигниты, полиакрилаты и частично гидролизованные полиакриламиды. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения диспергирующими агентами являются полиакрилаты или другие сополимеры, но все же предпочтительнее полиакрилаты. Необходимое количество диспергирующего агента для разжижения упомянутых буровых растворов зависит от химической природы этого диспергирующего агента и от типа бентонитовой глины. При использовании лигниновых диспергирующих агентов это количество обычно находится в диапазоне от 0,5 до 3 по весу на основании бурового раствора, в то время как при использовании полимерных диспергирующих агентов такое количество находится в диапазоне от 0,03 до 0,5 по весу. Глина может находиться во взвешенном состоянии в воде, и в нее добавлен диспергирующий агент,или, все равно, водный раствор диспергирующего агента можно добавить в первоначальную глину. Водную дисперсию бентонита и диспергирующий агент перемешивают в течение довольно длительного периода времени, достаточного, по крайней мере, для того, чтобы получить адсорбцию диспергирующего агента. Этот период времени обычно составляет примерно 30 минут. Во время этого этапа часть диспергирующего агента адсорбируется на поверхности глины, оставляя равновесие в растворе. На поверхности глины 8737 адсорбируется такое количество, которое соответствует равновесию твердого диспергирующего агента. В случае диспергирующих агентов полиакрилового типа это количество составляет примерно одну третью часть общего количества, добавленного для разжижения бурового раствора. Температура, при которой глина уравновешивается с диспергирующим агентом, не имеет решающего значения. Способ предпочтительно выполняют при температуре, находящейся в диапазоне от 10 до 40 С. Затем восстанавливается предварительно обработанная глина, то есть глина, поверхность которой покрыта диспергирующей добавкой. Упомянутую глину можно отделить от водного раствора в соответствии с хорошо известной методикой разделения жидкого и твердого вещества предпочтительно центрифугированием. За этим этапом восстановления глины могут следовать один или более этапов промывания водой,чтобы полностью удалить любой диспергирующий агент, который не сильно связан с глиной. После этого обработанную таким способом глину вновь диспергируют в воде и получающийся буровой раствор используют в качестве жидкости для бурения скважины, в частности, подходящей для бурения нефтяных скважин, имеющих температуры примерно 120-170 С. Получающийся буровой раствор можно смешивать с другими добавками, что обычно используют в конце образования. Таким образом можно добавлять, например, сгущающие агенты, агенты потери жидкости, агенты управления фильтрованием и так далее. Кроме того, в полученный таким образом буровой раствор можно добавлять растворимые в воде соли, чтобы регулировать ионную силу, а также соответствующие вещества, предназначенные для регулирования водородного показателя этого бурового раствора до требуемой величины. Обычно водородный показатель приготовленного таким способом бурового раствора находится в диапазоне от 9 до 12. Повторное диспергирование в воде обработанной таким способом бентонитовой глины не вызывает удаления адсорбированного диспергирующего агента (по крайней мере, при обычных условиях времени и температуры использования бурового раствора). Это означает, что упомянутый адсорбированный диспергирующий агент продолжает выполнять свою задачу в качестве диспергирующего агента бентонитовой глины также при отсутствии других диспергирующих агентов в растворе. Приготовленный таким образом буровой раствор, благодаря практически отсутствию растворенного в воде диспергирующего агента, демонстрирует потерю агрессивности к глиняным слоям, и суммарный процесс требует более низкого потребления диспергирующей добавки, потому что неадсорбированное количество, содержащееся в первоначальном водном растворе, можно легко восстановить и обеспечить повторный цикл. Предварительно обработанную глину в соответствии с настоящим изобретением можно также хранить в течение длительного времени и при необходимости использовать для приготовления буровой жидкости. Ниже приводятся примеры, предназначенные для лучшего раскрытия настоящего изобретения. Примеры Приготовление бентонитовых глин для пассивации буровых растворов. Схема 1. Этот способ получения бурового раствора, который не агрессивен к глиняным слоям,основан на удалении посредством этапов промывания свободного диспергирующего агента, растворенного в диспергированной среде, из дисперсии бентонитовой глины, смешанной с диспергирующим агентом. Дисперсию бентонитовой глины в воде готовят с соответствующим количеством диспергирующего агента дисперсию глины центрифугируют и получают следующее) плотный осадок глины с адсорбированным диспергирующим агентом и) водный раствор, содержащий неадсорбированный диспергирующий агент (всплывающий наверх в результате отстаивания). Приготовленная таким способом бентонитовая глина (этап 1) является основным компонентом,предназначенным для приготовления неагрессивного бурового раствора. Пример 1. Степень, до которой добавленный в дисперсию диспергирующий агент адсорбируется на глине, и обратимость адсорбции проверяли посредством использования водной дисперсии гомоионного натриевого монтмориллонитау-1 Уайоминга, где в качестве диспергирующего агента использовали промышленный полиакрилат, имеющий средневесовой молекулярный вес М, равный примерно 4000,приготовленный при следующих условиях натриймонтмориллонит - 0,27 в весовом отношении,диспергирующий агент - 0,13 в весовом отношении, процентное содержание соли - 0,05 М ,11. Приготовленную таким способом дисперсию приводили в равновесие в течение 16 часов, а затем подвергали 2-часовому центрифугированию со скоростью 14.000 оборотов в минуту. Полученное всплывающее наверх вещество подвергли анализу на суммарный органический углерод с целью определения количества свободного диспергирующего агента, содержащегося в растворе в начальной дисперсии. Осадок (бентонитовую глину с адсорбированным диспергирующим агентом) вновь диспергировали в свежем растворе, имеющем в этом примере такие же условия содержания соли и показателя рН, как в первоначальной дисперсии (рН 11,0, 05 М аС), а затем дали возможность дисперсии 3 8737 уравновеситься в течение 16 часов. Затем полученную уравновешенную дисперсию снова центрифугировали и определяли количество диспергирующего агента во всплывшем наверх веществе с целью про верки возможности освобождения какого-то адсорбированного диспергирующего агента. Этот цикл повторили три раза, а полученные результаты приведены в табл. 1. Таблица 1 Испытание десорбции диспергирующего агента последовательными промывками Дисперсия бентонитовой глины Первоначальная После 1 повторной дисперсии После 2 повторной дисперсии После 3 повторной дисперсии Можно видеть, что после последовательных дисперсий глины в осадке в растворе обнаруживается наличие все меньшего и меньшего количества диспергирующего агента. Этот результат говорит о том,что часть диспергирующего агента, который остался адсорбированным, оказывается сильно связанной с адсорбирующей поверхностью глины. Пример 2. В этом примере проверяется действие дисперсии,приготавливаемой в соответствии с методикой, изложенной в схеме 1 примера 1, посредством сравнения между собой трех дисперсий) 3,7 в весовом отношении бентонита Уайоминга в воде (образец А)) такая же дисперсия, как и в вышеприведенном пункте 1, с добавлением такого количества диспергирующего агента, чтобы получить следующие соотношения диспергирующего агента глины по весу 0,012 (образец В)) дисперсия предварительно обработанной глины с такой же концентрацией, как и в образце вышеприведенного пункта 1 (образец С). Поскольку методика схемы 1 из-за промывок деионизированной воды вызывает в конце диспергирования уменьшение количества соли в растворе по сравнению с образцами А и В, использовали методику приготовления для образца С (схема 2), которая несколько отличается от предыдущих методик. Схема 2. Приготавливают дисперсию бентонита Уайоминга в воде о весовым соотношением 3,7 и обеспечивают возможность ей отстояться в течение Число частей на миллион неадсорбированного диспергирующего агента 840 12 4 0 24 часов, чтобы подвергнуть гидратации затем дисперсию добавляют таким образом, чтобы получить следующее соотношение диспергирующего агента глины 0,012 по весу, и получающейся дисперсии обеспечивают возможность уравновеситься в течение 48 часов. Подвергая получающуюся дисперсию 2-часовому центрифугированию со скоростью 14 000 оборотов в минуту, получают отделение твердого диспергирующего агента, имеющего отношение к осадку Д из растворенного диспергирующего агента, содержащего всплывающее вверх вещество Д. В то же время первоначальную водную дисперсию, содержащую 3,7 в весовом отношении бентонита Уайоминга, центрифугируют в течение 2 часов со скоростью 14 000 оборотов в минуту с целью получения текучего всплывающего вверх веществаи, наконец, осадок с диспергирующим агентом Д вновь диспергируют во всплывающем вверх веществе . Таким образом, получается дисперсия предварительно обработанной глины, в которой водная фаза имеет значения процентного содержания соли и показателя рН, которые примерно такие же, как для образцов А и В. Реологические свойства приготовленных таким способом трех образцов показаны в табл. 2. Измерения выполняли посредством ротационного вискозиметраБолина. Значения вязкости при 1,16 с-1 и 92,3 м-1 и значения модуля упругостипри частоте 1 Гц приведены в табл. 2. Таблица 2 Реологические характеристики базовой дисперсии (А),дисперсии, смешанной с диспергирующим агентом (В),и дисперсии, образованной в соответствии со схемой 2 (С)(Па) 8737 Данные табл. 2 показывают, что часть диспергирующего агента, оставшаяся адсорбированной на бентоните образца С, достаточно большая, чтобы обеспечить возможность дисперсии, обработанной в соответствии с настоящим изобретением, сохранить те же реологические характеристики, как и у образца В, созданного в соответствии с нормальной методикой. Пример 3. Чтобы проверить, что адсорбция диспергирующего агента на глине очень прочная и что хорошая дисперсия бентонитовой глины удерживается также при высоких температурах, реологические измерения произвели после выдерживания при высокой температуре (150 С в течение 16 часов). Используемые для этих испытаний образцы были приготовлены в соответствии с той же методикой,которая описана в схеме 2 примера 2, и сравнительные измерения были выполнены на 2-х дисперсиях) дисперсии, содержащей 7 бентонита Магкогела, смешанного с диспергирующим агентом, чтобы получить следующее соотношение диспергирующего агента глины по весу 0,012 (образец В)) такой же исходной дисперсии, как и в вышеприведенном пункте 1, после предварительной обработки (образец С). Результаты, приведенные в табл. 3, касаются измерений, выполненных на образцах В и С перед и после теплового воздействия. Таблица 3 Реологические параметры до и после воздействия температуры 150 С в течение 16 часов Кажущаяся вязкость Пластическая вязкость Предел текучести Гели Водородный показатель Образец В до воздействия после воздействия 30 46 Образец С до воздействия после воздействия 28,5 Из вышеприведенных результатов измерений можно видеть, что даже после теплового воздействия реологические параметры обеих дисперсий остаются примерно такие же. Пример 4. Чтобы показать, что обработанная дисперсия, из которой был удален свободный диспергирующий агент, находящийся в растворе, менее агрессивная к глинистому слою, чем дисперсия, в которую был добавлен диспергирующий агент посредством нормального способа, соответствующего известной технике, используется испытание горячей прокаткой. Испытания выполняют посредством добавления в дисперсию известных количеств глины слоя в форме гранул с определенными размерами частиц(2-4 мм). Приготовленная таким образом дисперсия подвергается тепловому воздействию в течение 4 часов при температуре внутри контейнера, обеспечивающей прокатку со скоростью вращения 17 оборотов в минуту. И, наконец, дисперсию охлаждали и из нее удаляли остаток гранулированной глины. Эти восстановленные гранулы промывали жидкостью, заменяющей набухание глины, сушили в печи и взвешивали с целью определения процентного количества восстановленной глины слоя. Чем выше агрессивность дисперсии, тем меньше восстановленного количества гранулированной глины слоя. В табл. 4 представлены результаты, которые были получены в результате измерений, выполненных ротационным вискозиметром Фанн 35 А с аппаратурой , вместе с результатами, полученными при выполнении испытания горячей прокаткой бурового раствора В и бурового раствора С, обработанных в соответствии с настоящим изобретением. Значения кажущейся вязкости, пластической вязкости, предела текучести и предела прочности геля весьма аналогичны для образца В, смешанного с диспергирующим агентом, и образца С, смешанного с диспергирующим агентом, обработанного в соответствии с настоящим изобретением перед тем, как подвергнуть испытанию горячей прокаткой. 8737 Таблица 4 Реологические параметры до и после испытания горячей прокаткой с значениями восстановления после испытания горячей прокаткой Кажущаяся вязкость Пластическая вязкость Предел текучести Гели Скорость восстановления глины Образец В до воздействия после воздействия 30 40 Испытания горячей прокаткой, выполненные на этих дисперсиях, подтверждают, что посредством удаления избытка диспергирующего агента из раствора агрессивность дисперсии к глине слоя уменьшается. В случае образца В получается скорость восстановления глины, равная 45 , по сравнению со скоростью восстановления, равной 63 , полученной в случае образца С. Реологические измерения, выполненные на дисперсиях после испытания горячей прокаткой, показали, что глина слоя, которая оказалась частично диспергированной, обычно увеличивает реологические параметры, однако без сильного воздействия на поведение. Необходимо отметить, что образец С,благодаря обеспечению более низкой дисперсии глины слоя в буровой раствор, обеспечил меньшее увеличение возможности. Из этой экспериментальной картины можно сделать вывод, что обработка глины в соответствии с настоящим изобретением дает реологические характеристики дисперсии, которые сопоставимы с характеристиками, сообщаемыми дисперсии посредством добавления диспергирующего агента более того,обработанная дисперсия обеспечивает более низкую агрессивность к глинистому слою. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ приготовления водных буровых растворов на основе глины, не агрессивных к глинистым слоям, включающий диспергирование в воде глины, диспергирующего агента для разжижения,отличающийся тем, что глину диспергируют в водном растворе, содержащем необходимое количество диспергирующего агента для разжижения, отделяют глину от водного раствора, содержащего неадсорбированный диспергирующий агент, затем обработанную таким образом глину диспергируют в воде. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве глины используют бентонит. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве диспергирующего агента для разжижения используют полиакрилат или его сополимер. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отделяют глину от водного раствора, содержащего неадсорбированный диспергирующий агент, центрифугированием. 5. Обработанная глина, отличающаяся тем, что она получена посредством контакта глины с водным раствором, содержащим необходимое количество диспергирующего агента для разжижения, и последующего отделения ее от полученного раствора. 6. Обработанная глина по п. 5, отличающаяся тем, что глиной является бентонит.