Исследования и разработка технологии применения смазочных реагентов для бурения наклонно направленных скважин с горизонтальным окончанием

В топливно-энергетическом комплексе РФ добыча газа и газоконденсата во многом определяет рост Внутреннего Валового Продукта страны. Прирост разведанных запасов, наращивание объёмов добычи углеводородного сырья напрямую связаны с повышением эффективности строительства газовых и га-зоконденсатных скважин на месторождениях Крайнего Севера в т. ч. в Надым-Пур-Тазовском регионе, где сосредоточены основные объёмы эксплуатационного и разведочного бурения ОАО «Газпром». Объём разведочного бурения в последние годы заметно увеличился, а его доля в структуре буровых работ достигла почти 25%.

С усложнением геолого-технических условий строительства скважин наметилась тенденция роста аварийности, в которой основную долю занимают прихваты бурильного инструмента и обсадных труб. Так за четыре года на предприятиях ОАО «Газпром» зарегистрировано более семидесяти аварий. Из них 42% связаны с прихватами, на ликвидацию которых затрачено 67,8 млн. рублей и 15,7 тыс. часов календарного времени. Этот вид осложнений напрямую связан с фрикционными свойствами бурового раствора. Низкие смазывающие свойства промывочной жидкости не только повышают прихватоопас-ность, но и провоцируют желобо-сальникообразования, увеличивают износ бурильного инструмента в т. ч. долот и забойных двигателей, препятствуют передаче осевой нагрузки на забой, снижают эффективность отработки породораз-рушающего инструмента, ухудшают условия управления траекторией ствола скважины.

Управление смазывающими свойствами буровых растворов производится лубрикантамй — специальными реагентами, в состав которых входят вещества снижающие адгезию. В отечественной практике буровых работ используется более десятка наименований смазочных реагентов на синтетической основе, кремнийорганике, жирных кислотах, растительных маслах. При строительстве скважин в ОАО «Газпром», в отличие от отечественного опыта бурения, ассортимент применяемых смазок значительно ограничен. Основными смазками являются графит и омыленный талловый пек, годовой расход которых в ДООО «Бургаз» составляет около трех процентов от общей потребности в компонентах (материалах, реагентах) буровых растворов. Паллиативным способом управления смазывающими свойствами раствора на практике является использование нефти, содержание которой в промывочной жидкости часто превышает десять процентов, что обуславливает достаточно высокую экологическую опасность отходов бурения скважин. Это свидетельствует о том, что традиционно применяемые способы профилактики прихватов в сложившихся условиях оказались малоэффективными и требуют совершенствования.

В настоящее время на рынке продукции и услуг имеется достаточно большой выбор и ассортимент смазывающих реагентов, технологий их применения и методов контроля качества фрикционных свойств буровых растворов. Предлагаемые реагенты — лубрикаторы характеризуются многофункциональностью действия, поэтому при их выборе, с учетом эффективности в конкретных геолого-технических условиях, необходимо выделять специальные требования к их качеству.

Актуальность этой проблемы особенно возрастает с ростом объёмов горизонтального бурения и увеличением глубины бурения скважин в аномальных термобарических условиях при наличии высокопроницаемых осыпающихся и набухающих пород.

В связи с этим цель работы сформулирована следующим образом:

Повышение эффективности бурения наклонно-направленных скважин с горизонтальным окончанием путем разработки составов смазочных реагентов и технологии их применения при бурении и спуске обсадных колонн в породах с резко изменяющимся литологическим составом.

Основные задачи исследований.

1. Анализ современного уровня и состояния изученности влияния смазочных реагентов на технологические параметры пресных полимер-глинистых растворов с учётом геолого-технических условий их применения.

2. Разработка методик испытаний и метрологическое обоснование точности (погрешности) определения смазочных свойств буровых растворов. Совершенствование испытательного оборудования для измерений смазочных свойств бурового раствора. Стендовые испытания технологической эффективности применяемых смазочных реагентов.

3. Экспериментальные исследования и разработка состава многофункциональных смазочных компонентов буровых растворов для строительства наклонно-направленных скважин с горизонтальным окончанием.

4. Проведение опытно-промысловых испытаний смазочных реагентов и корректировка их составов для организации промышленного производства.

5. Разработка нормативно-технической документации по технологии применения смазочных реагентов и проведению входного контроля их качества на месте производства буровых работ.

Научная новизна.

1. Выявлен нелинейный эффект взаимодействия жирных кислот с глико-лями и экспериментально обосновано их оптимальное соотношение в составе смазочного реагента на основе соевого масла.

2. Научно обоснован и экспериментально подтвержден ингибирующий эффект смазочных реагентов на основе растительных масел, обеспечивающий снижение скорости гидратации монтмориллонитовых глинистых пород.

3. Эмпирически установлено и научно обосновано, что с увеличением контактных давлений (нагрузки) и коэффициента трения при взаимодействии двух стальных поверхностей в среде бурового раствора, погрешность измерения коэффициента трения уменьшается в квадратичной зависимости. С уменьшением коэффициента трения между фильтрационной коркой и цилиндрическим образцом погрешность его измерений линейно увеличивается.

Практическая ценность.

1. Разработан состав морозоустойчивой смазки на основе концентрата соевого масла, гликоля, оксидата натрия для обработки буровых растворов. На практике доказано, что эффективность его применения не уступает импортным (Е.Р. Lube) и лучшим отечественным (ФК-2000 плюс) аналогам.

2. Разработан состав порошкообразной кольматирующей смазки типа МИКАН (ТУ 5725−005−56 864 391−2005) на основе слюды (флогопит, мусковит) с модификацией концентратом соевого масла. На практике при спуске обсадных колонн в скважину с горизонтальным окончанием доказана высокая эффективность смазки.

3. Разработаны и внедрены в практику буровых работ ОАО «Газпром» и проектирование строительства скважин нормативные документы, регламентирующие технологию применения новых смазочных материалов на основе концентрата соевого масла:

— НД 158 758−265−2003 «Регламент по технологии бурения и крепления газовых скважин на Песцовом месторождении»;

НД 158 758−267−2003 «Рекомендации по использованию новых высокомолекулярных реагентов и материалов для приготовления и обработки буровых растворов».

4. Разработаны и внедрены усовершенствованный прибор типа ФСК (патент № 42 319), комплект методик выполнения измерений фрикционных свойств бурового раствора и его фильтрационной корки.

5. Обоснованы численные значения метрологических нормативов (показателей повторяемости, воспроизводимости, точности) выполнения измерений смазочных свойств буровых растворов и фильтрационных корок.

6. Разработаны и для выполнения входного контроля введены в действие распоряжением ОАО «Газпром» документы, регламентирующие технические требования к смазочным реагентам и методы контроля их качества:

— СТО Газпром РД 2.1−146−2005 «Смазочные компоненты буровых растворов. Технические требования»;

— СТО Газпром 2.3−2-011−2005 «Методика выполнения измерений скорости износа и коэффициента трения на машине трения МТ-2»;

— СТО Газпром 2.3−2.012−2005 «Методика выполнения измерений коэффициента сдвига (липкости) глинистой корки на приборе ФСК-4»;

— НД 158 758−252−2003 «Методика выполнения измерений коэффициента трения и предельного давления прочности смазочной пленки на тестере предельного давления и смазывающей способности фирмы „OFITE“ (США)».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Международной научно-технической конференции, посвященной 40-летию Тюменского государственного нефтегазового университета «Проблемы развития ТЭК Западной Сибири на современном этапе» (Тюмень 2003 г.) — XIII и XIV конференции молодых учёных и специалистов ТюменНИИгипрогаз «Проблемы развития газовой промышленности Западной Сибири» (ООО «ТюменНИИгипрогаз», Тюмень 2004 и 2006 г.) — Международной научно-технической конференции, посвященной памяти Мавлютова М. Р. «Повышение качества строительства скважин» (Уфа, 2005 г.) — Учёном Совете института ООО «ТюменНИИгипрогаз» (Тюмень, 20 042 005 г) — научно-технических семинарах кафедры «Бурение нефтяных и газовых скважин» ТюмГНГУ (Тюмень, 2006 г).

Одним из основных факторов, определяющих успешность проводки скважин, является качество бурового раствора. Буровой раствор, помимо выполняемых им таких функций, как вынос выбуренной породы с забоя, передача гидравлической мощности забойному двигателю, создания противодавления на стенки скважины, должен обладать достаточными смазочными свойствами. Смазочно-охлаждающее действие буровых растворов имеет большое значение для профилактики осложнений, улучшения буримости, снижение гидравлических сопротивлений и крутящего момента, уменьшение всех видов износа бурильного инструмента, безаварийности проводки скважин. Отечественная и зарубежная практика бурения скважин с применением буровых растворов с улучшенными смазочными свойствами показывает, что мероприятие оказывает общетехнологическое положительное влияние на работу и износ узлов трения оборудования и породоразрушающего инструмента, технологическое состояние скважины [ 1 ]. Указанное достигается путем введения в буровые растворы специальных смазочных добавок. Сущность мероприятия заключается в том, что прокачиваемый через циркуляционную систему раствор, является хорошим транспортным средством для доставки смазки к узлам трения долот, забойных двигателей, буровому оборудованию. Широко распространен в технической литературе термин «смазочная способность», под которой следует понимать способность среды создавать граничные слои жидкостей и поверхностные пленки на взаимодействующих поверхностях твердых тел с низким сопротивлением сдвигу и высоким сопротивлением сжатию. Следовательно, смазочная способность среды определяется свойствами граничных слоев и поверхностных пленок в контакте взаимодействующих тел, в формировании которых она принимает активное участие [ 2 ]. Следует различать смазочное и противоизносное действие. Первое связано с уменьшением трения, адгезии и гидравлических сопротивлений при сравнительно невысоких удельных давлениях. Противоизносное действие проявляется при высоких удельных давлениях, когда идет разрушение адсорбционных смазочных слоев и переход от гидродинамической к граничной смазке [ 3 ]. Смазочная способность среды проявляется в снижении сил трения, а противоизносные свойства — в снижении износа взаимодействующих тел.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. С учётом проведённого анализа изученности влияния смазочных реагентов на технологические параметры буровых растворов определены перспективные направления совершенствования состава и технологии применения смазочных реагентов при строительстве наклонно-направленных скважин с горизонтальным окончанием. Обосновано применение жирных кислот растительных масел в том числе соевого масла.

2. Разработаны, аттестованы и внедрены в практику буровых работ ОАО «Газпром» методики выполнения измерений смазочных свойств бурового раствора и фильтрационной корки: НД 158 758−252−2003 «Буровые растворы. Методика выполнения измерений коэффициента трения и предельного давления прочности смазочной плёнки на тестере предельного давления и смазывающей способности 111−00 «ОР1ТЕ» (США)" — СТО Газпром РД 2.3−2-011−2005 «Методика выполнения измерений скорости износа и коэффициента трения на машине трения МТ-2" — СТО Газпром РД 2.3−2-012−2005 «Методика выполнения измерений коэффициента сдвига (липкости) глинистой корки на приборе ФСК-4».

3. Установлено, что погрешность измерений изменяется в зависимости от величины измеряемого параметра. Экспериментально доказано, что при низких значениях показателя трения на контакте «сталь-сталь» (машина трения ОПТЕ модели № 111) в диапазоне от 0,001 до 0,02 погрешность измерений составляет 41,7%. С увеличением коэффициента трения от 0,02−0,10 до 0,10−0,30 погрешность снижается с 17,9% до 8,6%. Доказано, что с уменьшением нагрузки с 12−22 МПа до 4−8 МПа на контакте двух стальных образцов (машина трения МТ-2) в среде бурового раствора погрешность определения коэффициента трения возрастает более чем в три раза. С уменьшением коэффициента трения на контакте «сталь-фильтрационная корка» (прибор ФСК-4) от 0,5−0,6 до 0,1−0,15 погрешность увеличивается с 16,5% до 23,0%.

4. Усовершенствована конструкция прибора (типа ФСК) для определения смазочных свойств фильтрационной корки (патент № 42 319). Разработана конструкторская документация, инструкция по эксплуатации и технические условия на изготовление (ТУ 4318−061−158 758−2004 «Прибор для. исследования фрикционных свойств глинистых корок ФСК-4»).

5. Доказано, что смазочные реагенты на основе синтетического сложно-эфирного масла, полиненасыщенного масла, полимера полиалкиленгликоля провоцируют гидратацию глинистых минералов и увеличивают интенсивность набухания монморилонитсодержащей глины в 1,2−1,3 раза (в сравнении с водой). Смазки на основе жирных кислот масел, в т. ч. растительного происхождения снижают гидратацию более чем на 30%.

6. Разработаны составы смазочных реагентов на основе соевого масла. Экспериментально обоснована эффективность морозоустойчивого смазочного реагента (отработанное соевое масло+дисолван+диэтиленгликоль+оксидат натрия или триполифосфат) для обработки бурового раствора в процессе бурения разбухающих пород. Доказано, что при этом смазка дополнительно выполняет функцию ингибитора монтмориллонитовых глин.

7. Разработаны составы смазочного реагента на основе слюды (мусковит, флогопит) и соевого масла с торговым названием «Микан». Установлено, что обработка буровых растворов «Миканом» обеспечивает спуск обсадных труб в горизонтальном стволе скважины за счёт улучшения антифрикционных свойств создаваемого им кольматационного экрана. Производство порошкообразной смазки «Микан-40С» (ТУ 5725−005−56 864 391−2005) организовано в ЗАО «НПК Спецбурматериалы».

8. Проведены опытно-промысловые испытания и разработана технология обработки буровых растворов новыми смазочными реагентами. Технология регламентирована нормативными документами (НД 158 758−265−2003 и НД 158 758−267−2003) и применяется при проектировании и строительстве скважин на Крайнем Севере. В 2004 году фактический экономический эффект от применения смазок составил 3,6 млн. рублей.

9. Для входного контроля качества закупаемых смазок, в том числе импортного производства и проведения их сертификационных испытаний разработан и введен в действие СТО Газпром 2.1−146−2005 «Смазочные компоненты буровых растворов. Технические требования».