Бурение нефтяных и газовых скважин

Рисунок - 1 Строение структурных единиц крахмала:

а) участок амилозы; б) участок амилопектина

Рисунок 2 - Строение элементарного звена макромолекулы ксантана

В свою очередь в молекулах карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) и полиакриламида (ПАА) (рисунок 3) содержится большое количество полярных ионогенных групп, таких как карбоксильные и амидные, которые могут вступать во взаимодействие с катионами металлов, что делает невозможным использование данных полимеров в сильно минерализованных средах. Полимеры особенно чувствительны к воздействию катионов двухвалентных металлов (например, иона кальция), что напрямую связано с химическим строением молекул, а именно наличием и типом функциональных групп, входящих в макромолекулу полимера и их пространственного расположения. Установлено, что в случае применения полимерсолевых растворов на основе КМЦ (раствор NaCl + КМЦ) наблюдается ухудшение гидродинамической связи в системе скважина-пласт. В результате взаимодействия фильтрата с пластовым флюидом (нефть и пластовая вода) и породой коллектора происходит снижение продуктивности нефтесодержащих объектов до 50% [6]. Поэтому ПАА и КМЦ находят применение, в основном, в пресных растворах. Исключение составляет полианионная целлюлоза (ПАЦ), которая также содержит карбоксильные группы, но устойчива в концентрированных растворах солей в виду особенностей строения макромолекул [7].

Рисунок 3 - Строение элементарного звена частично гидролизованного полиакриламида

Таким образом, очевидно, что применение полимеров, имеющих в своем составе большое количество полярных недиссоциирующих на ионы групп, обеспечивает хорошую растворимость и стабильность свойств буровых растворов в широком интервале концентраций солей. Однако поведение полисахаридов в растворах обусловлено не только химической природой молекул полимера. Весьма существенное влияние оказывают надмолекулярные структуры, примеси, присутствующие в продукте, и технология его производства.

Рассмотрим влияние содержания электролитов на функциональные свойства ксантановых биополимеров и крахмальных реагентов. В качестве примера в различии свойств полисахаридов одной химической природы протестированы растворы образцов ксантановых полимеров (ксантановый биополимер "Гаммаксан"; пищевая ксантановая камедь, которая нередко используется при бурении) и модифицированных крахмалов ("Амилор Р-120" (на основе кукурузного сырья), "Амилор Р-122" (на основе картофельного сырья), нативный крахмал по ГОСТ 7699-78) в пресной и минерализованной водах. В силу своих структурных особенностей полисахаридные реагенты в сочетании с биополимерами или другими подобного типа способны создавать водные полимерные растворы, не содержащие твердой фазы, с широким диапазоном эксплуатационных свойств [8].

Для создания ионной среды использовались три различные соли: хлористый натрий NaCl, хлористый калий KCl и хлористый кальций CaCl₂. Готовились 0,5%-ные водные растворы ксантановых полимеров и 3%-ные водные растворы модифицированных крахмалов при 20°С. Клейстеризация нативного крахмала проводилась в конкретной дисперсной среде при нагревании суспензии до температуры клейстеризации в течение определенного времени.

Свойства полученных растворов приведены в таблице 2 и 3.

Таблица 2 - Изменение свойств растворов крахмалов в зависимости от минерализации среды

Из таблицы 2 видно, что в пресной среде показатель фильтрации (ПФ) растворов крахмальных реагентов имеет достаточно низкое значение и не зависит от типа используемого продукта. В минерализованной же среде величина ПФ существенно ниже для растворов крахмальных реагентов марки "Амилор". Следовательно, преимуществом использования буровых крахмалов марки "Амилор" является постоянство свойств раствора независимо от степени его минерализации.

На столь сильные различия в свойствах модифицированных крахмальных реагентов может оказывать влияние состав исходного сырья, в частности содержание в нем белка и клетчатки. Взаимодействие белковых молекул с полисахаридами крахмала может привести к понижению гидратации гидроксилов ангидроглюкозных единиц, что негативно сказывается на растворимости получаемого продукта и, как следствие, на показатели раствора в целом [9].

В зависимости от природы сырья - картофельного, кукурузного или тапиокового нативного крахмала - и параметров технологического процесса производятся продукты различных марок, обладающие различными свойствами. К примеру, тапиоковый крахмал обладает наибольшей вязкостью и может быть использован для изменения реологических свойств раствора, кукурузный - наименьшей, а картофельный позволяет получить готовый продукт как с высокой, так и с низкой условной вязкостью. Эти факторы также должны быть учтены для наиболее рационального выбора продукта.

Таблица - 3 Сравнение биополимерного раствора, приготовленного из различных сортов ксантановых биополимеров

Как показывает таблица 3, в пресном растворе показатели ДНС, СНС и ПВ имеют сравнимые по величине значения для обоих сортов ксантановых полимеров. В минерализованных средах раствор пищевой ксантановой камеди теряет необходимые реологические свойства, тогда как раствор биополимера "Гаммаксан" сохраняет функциональные свойства на прежнем уровне, обеспечивая требуемую выносящую способность в любых средах.

Биополимерные продукты часто имеют в своем составе остатки жирных и уроновых кислот, содержащих анионоактивные карбоксильные группы, которые могут вступать в ионообменные взаимодействия с различными ионами, что обуславливает зависимость реологических свойств раствора от состава и концентрации минеральных и других ингредиентов. Кроме того, не следует забывать о том, что на скорость гидратации и физико - химические показатели природных полисахаридов в большой степени влияют пространственное взаиморасположение функциональных групп и боковых цепей и регулярность их чередования. Поэтому природные полисахариды, получаемые на разных производственных линиях, могут кардинально отличаться по свойствам друг от друга, имея при этом одно и то же название химического соединения. Регулируя технологические параметры производства органических полимеров, глубину очистки сырья и готового продукта, можно обеспечить отличное качество биополимеров для буровых растворов [9].

буровой пласт реологический биополимер

Таблица 4 - Выборка заключений по испытаниям ксантанового биополимера "Гаммаксан" в крупных сторонних лабораториях

В таблице 4 приведены некоторые результаты испытания биополимера "Гаммаксан" потребителями [10].

Таким образом, выбор оптимальной технологии производства полисахаридных реагентов, контроль качества исходного сырья позволяет получить продукт со стабильными свойствами в буровых растворах различной степени минерализации.

Список использованных источников

1. Чихоткин В.Ф., Третьяк А.Я., Рыбаленко Ю.М, Бурда М.Л. Буровой раствор и управление его реологическими свойствами при бурении скважин в осложненных условиях // Бурение и нефть, 2007. № 7/8. С. 58.

2. Гавура В.Е. Контроль и регулирование разработки нефтяных и газонефтяных месторождений. М.: ВНИИ-ОНГ, 2001. 340 с.

3. Булатов А.И., Макаренко П.П., Проселков Ю.М. Буровые промывочные и тампонажные растворы: Учеб. Пособие для вузов. -М.: Недра, 1999. - 424 с.

4. Рабинович В.А. Краткий химический справочник. - 2-е изд. / В.А. Рабинович, З.Я. Хавин // Л.: Химия, 1978. 392 с.

5. Хонимен Д. Молекулярное строение целлюлозы и крахмала/ Д. Хонимен, Д. Персонс // Успехи химии целлюлозы и крахмала. -М.: Изд-во. иностр. лит-ры, 1962.

6. А.с. 1321740 СССР, МКИ С09 К 7/02. Состав для вскрытия продуктивно го пласта / И.Ю.Хариев. - № 3913442/23-03; Заявлено 14.06.85; Опубл.

7. Уляшева Н.М. Технология буровых жидкостей: учеб. пособие; в 2 ч.; ч. 1.

8. Пеньков А.И. Современное состояние и основные проблемы промывки скважины с горизонтальными участками ствола. Краснодар. 67 с.

9. Минибаев В.В., Ильин. И.А., Пестерев С.В. Эффективность полисахаридных реагентов в буровых растворах различной степени минерализации среды // Бурение и нефть, 2010. №10. С.44 - 46

10. Жушман А.И. Модифицированные крахмалы. М.: Пищепромиздат, 2007.

Размещено на Allbest.ru