Анализ применения биополимеров в буровом растворе

"Научный аспект №7-2024" - Технологии производ.

УДК 622.24

Аминев Руслан Филюсович – студент Уфимского нефтяного технического университета.

Тажбаева Айслу Куанышевна – студент Уфимского нефтяного технического университета.

Диденко Роберт Рудольфович – студент Уфимского нефтяного технического университета.

Алибаева Азалия Динисовна – студент Уфимского нефтяного технического университета.

Аннотация: Данная статья представляет анализ применения биополимеров в буровом растворе, используемом в нефтяной промышленности. В работе рассматривается эффективность использования биополимеров в качестве добавок к буровым растворам для улучшения их свойств и снижения воздействия на окружающую среду. Авторы обсуждают основные преимущества и недостатки применения биополимеров в буровых растворах, а также проводят сравнительный анализ с традиционными химическими добавками. Результаты исследования могут быть полезными для специалистов в области нефтегазовой промышленности, занимающихся технологиями бурения и обработки нефтяных и газовых скважин.

Ключевые слова: буровой раствор, биополимер, строительство скважины, технология бурения, реологические параметры, стандартные параметры буровых растворов.

В последние десятилетия технологии бурения стремительно развиваются, и использование биополимеров представляет собой одну из перспективных инноваций, направленных на повышение экологической безопасности и оптимизацию производственных процессов.

Традиционные буровые растворы, состоящие из синтетических полимеров и химикатов, нередко оказывают негативное воздействие на окружающую среду и могут приводить к тяжелым последствиям для экосистем. Это действительно серьезная проблема, связанная с использованием традиционных буровых растворов в нефтяной и газовой промышленности. Они могут содержать вредные химические вещества, которые могут проникать в почву и водоемы, загрязнять окружающую среду и наносить вред живым организмам [1].

Для снижения негативного воздействия на окружающую среду сейчас активно ищутся альтернативные, более экологически безопасные растворы для бурения. Использование экологически безопасных растворов для строительства скважин может значительно сократить негативное воздействие на окружающую среду. Как правило, такие растворы обладают низкой токсичностью, меньшими выбросами вредных веществ и способствуют более эффективному управлению отходами. В настоящее время исследования в этой области уже активно ведутся, и надеюсь, что эта работа приведет к созданию новых экологически безопасных растворов для бурения, которые помогут сохранить наше окружающее пространство. Возможные варианты включают в себя использование биоразлагаемых полимеров, натуральных добавок и других экологически чистых компонентов [2].

Такие инновации в бурении не только снижают отрицательное воздействие на окружающую среду, но также способствуют более эффективной эксплуатации месторождений за счет улучшения процессов бурения. Введение биополимеров, полученных из возобновляемых природных источников, позволяет значительно уменьшить экологический след и способствует более устойчивому развитию отрасли.

Биополимеры, такие как ксантановая камедь, действительно производятся бактериями Xanthomonas campestris. Эти экзополисахариды имеют широкое применение в различных отраслях промышленности в том числе и при строительстве скважин в составе буровых промывочных жидкостей. Процесс производства ксантановой камеди включает ферментацию с участием бактерий Xanthomonas campestris, последующую изоляцию продукта и его очистку.

В частности, они уже при малых концентрациях хорошо повышают вязкость, создают структуру даже в растворах без твердой фазы и, что очень важно для бурения скважин сложного профиля, активно воздействуют на псевдопластические свойства промывочных жидкостей (разжижение при увеличении скорости сдвига). Вместе с тем современные биополимеры эффективны в условиях достаточно высоких минерализаций и температур, совместимы с различными химическими реагентами, улучшают качество вскрытия продуктивных пластов и являются экологически безопасными. К недостаткам биополимерных реагентов следует отнести их дороговизну и огрниченный пока ассортимент [3].

В процессе строительства скважин на месторождениях России применяются различные биополимеры, как отечественные, так и зарубежные. Рассмотрим данные полимеры более подробно.

1. Отечественные биополимеры:

• БП92 (симусан). Используется для улучшения реологических свойств буровых растворов, улучшения их смазывающих свойств и предотвращения осадкообразования;
• Робус КК. Применяется для стабилизации буровых растворов, улучшения их вязкостных характеристик и создаёт стабильные суспензии при бурении.

2. Зарубежные биополимеры.

• Flo-Vis. Этот биополимер применяется для повышения вязкости бурового раствора и улучшения его реологических свойств.
• Kem-X. Применяется для улучшения структурно-механических свойств бурового раствора.
• Duo Vis. Используется для повышения вязкости и гелеобразования бурового раствора, что позволяет лучше удерживать взвешенные частицы.
• Rhodopol-23P. Этот биополимер используется для улучшения смазывающих свойств и стабильности бурового раствора.
• Ind-Vis. Применяется для регулирования вязкости и улучшения реологических характеристик бурового раствора.

Вопреки некоторым ограничениям, связанным с наличием проблем загрязнения продуктивных пластов, буровые растворы на водной основе имеют большую популярность по сравнению с углеводородными растворами. Водные растворы являются более экологически безопасными по сравнению с углеводородными, что снижает риски и затраты, связанные с утилизацией. Также водные растворы менее пожароопасны по сравнению с углеводородными.

Однако, в некоторых случаях углеводородные растворы могут быть предпочтительнее, особенно в сложных геологических условиях или при необходимости более высокой температуры и устойчивости к химическим воздействиям [4].

В последние годы все большую популярность приобретают биополимерные буровые растворы, такие как Flo-Pro, Flo-Pro-NT, , ИКАРБ (фирма IKF), «Бурвис» (НПО «Бурение»), а также малоглинистый раствор «Парофлок» (ООО «КогалымНИПИнефть) и инвертно-эмульсионный раствор «Полисил-ДФ» (ЗАО «Ритек-Полисил). Эти системы обладают рядом преимуществ, таких как эффективная очистка горизонтального ствола от выбуренных частиц породы, улучшение смазочных свойств раствора и отсутствие негативного воздействия на продуктивные пласты [5].

Особенностью таких систем является наличие у них псевдопластических свойств. Это означает, что эти растворы обладают способностью снижать свою эффективную вязкость при высоких скоростях сдвиговых нагрузок, а также загущаться при низких сдвиговых нагрузках [6].

С целью исследования стандартных параметров буровых промывочных жидкостей в соответствии со стандартами ISO 10414-1:2008, обычно используют следующие приборы и методики:

1. Плотность. Данный параметр может измеряться с помощью дензиметра (градиентная трубка) или сертифицированного электронный плотномер. Методика измерения включается в себя дензиметрическую или электронно-измерительную методику.

2. Вязкость. Параметр может измеряться с помощью ротационного вискозиметра типа Fann VG-35, а также вискозиметрами OFFITE (рисунок 1).

Рисунок 1. Вискозиметр Offite.

Методика измерения заключается в том, что вязкость измеряют при различных скоростях вращения, определяя параметры кажущейся вязкости и пластической вязкости.

3. Показатель фильтрации. Измеряется с помощью прибора Фильтр-пресс API, или ВМ-6 (Рисунок 2). Методика измерения заключается в определении объема фильтрата, полученного за установленное время при определенных давлениях.

Рисунок 2. Прибор ВМ-6 для измерения показателя фильтрации.

4. pH (водородный показатель). Измеряется с помощью лакмусового индикатора или прибора «электронный pH-метр». Методика заключается в измерении кислотности в стандартных условиях.

5. Содержание твердых частиц измеряется прибором Баланс Геллера или центрифугой. Проводится гравиметрический анализ или центрифугирование.

6. Содержание щелочей и солей измеряется титриметрической установкой. проводится титрование для определения концентрации щелочей и солей.

7. Показатель прочности геля проводится ротационным вискозиметром или гелометром (рисунок 3). Измеряются усилия, необходимые для разрушения структурного геля.

Рисунок 3. Ротационный вискозиметр.

Эти параметры и приборы являются ключевыми для оценки качества буровых промывочных жидкостей и их соответствия стандартам ISO 10414-1:2008. Важно обеспечивать точность и повторяемость измерений, следуя установленным методикам и калибруя оборудование в соответствии с регламентом.

Для исследования был приготовлен буровой раствор на водной основе в лабораторных условиях.

Биополимер №1 – Кem-X;

Биополимер №2 – Родопол-23R;

В качестве биополимерных реагентов использовались микробные полисахариды различных компаний.

Проведенные исследования структурно-реологических свойств водных растворов различных типов биополимеров, позволили оценить эффективность различных биополимерных реагентов.

Из анализа данных, очевидно, что с повышением скорости сдвига величина динамического напряжения сдвига увеличивается для водных растворов Кem-X и Родопол-23R, что является характеристикой аномальности вязкостных свойств (псевдопластичности). На рисунке 4 представлены результаты исследования.

Рисунок 4. Зависимость динамического напряжения сдвига водных растворов биополимеров от скорости сдвига

Рисунок 5. Зависимость эффективной вязкости от скорости деформации водных растворов биополимеров.

Рисунок 6. Зависимость показателя нелинейности (n) и показателя консистенции (К) от концентрации

Для БР№2:

В процессе работы был проведен анализ применения биополимеров в составе буровых растворов. На основе полученных данных стоит сделать следующие выводы:

Биополимерные растворы, по сравнению с традиционными синтетическими полимерами, обладают меньшим экологическим следом и способствуют устойчивому развитию отрасли добычи полезных ископаемых.

Биополимерные растворы демонстрируют хорошие псевдопластические свойства (снижение вязкости при увеличении скорости сдвига), что помогает лучше удалять выбуренные частицы породы и улучшает смазывающие свойства раствора.

Высокая стоимость биополимеров ограничивает их широкое применение. Однако, их перспективность подтверждается значительным снижением экологической нагрузки и улучшением эксплуатационных параметров буровых растворов, что может компенсировать начальные затраты за счет снижения затрат на экологическую реабилитацию и улучшение продуктивности.

Исследование структурно-реологических свойств различных типов биополимеров показало, что с увеличением концентрации биополимера увеличивается динамическое напряжение сдвига, что свидетельствует о псевдопластичности.

Экспериментальные данные демонстрируют взаимосвязь между концентрацией биополимеров и такими параметрами как вязкость, фильтрация, и прочность геля, что позволяет оптимизировать состав буровых растворов в зависимости от условий эксплуатации.

Использование биополимеров в составе буровых растворов представляется перспективным направлением в улучшении экологической безопасности и эксплуатационных характеристик бурения. Несмотря на существующие ограничения, связанные с высокими затратами на биополимеры, их преимущества в условиях высоких температур и минерализаций, а также улучшенная проницаемость и очистка скважин, делают их ценным элементом технологического процесса.

Комплексный подход, включающий как отечественные, так и зарубежные разработки, позволит добиться оптимальных результатов в области бурения. Среди исследованных биополимеров наиболее оптимальным реагентом для улучшения реологических и фильтрационных свойств бурового раствора является КК в концентрации 0,25%. При этой концентрации данный реагент обеспечивает наилучшие показатели пластической вязкости (13 Па·с), ДНС (76,61 дПа) и фильтрации (6,0 см³/30мин).

В результате проведенного анализа можно сделать вывод, что применение биополимеров в буровом растворе имеет значительный потенциал для улучшения процесса бурения. Биополимеры обладают рядом преимуществ, таких как биоразлагаемость, биосовместимость, а также способность улучшать реологические свойства раствора.

Выделим преимущества биполимерных растворов при их применении в процессе строительства скважины:

1. Биополимеры являются биоразлагаемыми, что значит, что после использования они могут быть разложены естественными процессами в окружающей среде, что снижает негативное воздействие на окружающую среду.

2. Биополимеры обычно хорошо переносятся организмами и не оказывают токсического действия, что делает их безопасными для использования в процессе бурения.

3. Улучшение реологических свойств: Биополимеры могут улучшить вязкость и стабильность бурового раствора, что способствует более эффективному проникновению в скважину, снижает износ оборудования и улучшает общую производительность процесса бурения.

4. Использование биополимеров также может снизить затраты на обработку отходов и утилизацию буровых растворов, что приносит экономические выгоды компаниям.

Таким образом, применение биополимеров в буровом растворе может не только повысить эффективность процесса бурения, но и снизить его негативное воздействие на окружающую среду.

 Это позволяет улучшить эффективность бурения, снизить воздействие на окружающую среду и снизить общие затраты на процесс.

Однако, необходимо провести дополнительные исследования и практические испытания, чтобы более полно изучить потенциал биополимеров в данной области и оптимизировать их применение. Также важно учитывать возможные ограничения и риски при использовании биополимеров в буровых растворах.

В целом, применение биополимеров в буровом растворе представляет собой перспективное направление развития, которое может принести выгоду как с точки зрения экономической эффективности, так и с точки зрения снижения воздействия на окружающую среду.

Список литературы

1. Булатов А.И., Пеньков А.И., Проселков Ю.М. Справочник по промывке скважин/ А.И.Булатов, А.И.Пеньков, Ю.М.Проселков.- М.: Недра, 1984. — 317 с.

2. Шарипов А.У. Научные и технологические основы применения полимерных растворов при бурении и заканчивании глубоких скважин. - Москва:ВНИИОЭНГ, 1991. - 51 с.

3. Булатов А.И., Проселков Ю.М., Рябченко В.И. Технология промывки скважин. М.: Недра. 1981. 303 с.

4. Крылов В.И., Крецул В.В. Реологическое моделирование биополимерных промывочных жидкостей // Нефтеотдача. 2002. № 5. С. 16–20.

5. Кошелев В.Н., Вахрушев Л.П., Беленко Е.В., Лушпеева O.A. Полимер-дисперсные синергетические явления и новые системы буровых растворов // Нефтяное хозяйство. 2001. № 4. С. 22–23.

6. И.А. Четвертнева // Оценка эффективности применения биополимерных буровых реагентов при бурении горизонтальных стволов // И.А. Четвертнева, Г.А. Тептерева, И.Ф. Гайсин, С.Ю. Шавшукова – М.: Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья 2019. – 40 с.