В подтверждение выдвинутой гипотезы в Испытательной лаборатории буровых растворов ООО НПП «БУРИНТЕХ» проведен ряд экспериментов по испарению эмульсионного раствора. Для проведения исследований был выбран РУО плотностью 2,1 г/см³, специально разработанный для бурения скважин с максимальной температурой на забое (5200-5600 м) — 190°С (табл. 1). По инициативе заказчика в качестве дисперсионной среды было решено использовать дизельное топливо. Температура при проведении эксперимента составляла 70±5°С, что соответствовало ожидаемой температуре раствора на поверхности такой скважины в емкостях.

Исследования проводились по следующей методике. Сначала свежеприготовленный раствор был подвергнут термостатированию в герметично закрытых ячейках старения под давлением 10 атм при температуре 190°С в течение 8-10 часов, необходимых для стабилизации параметров. После этого осуществлялось испарение раствора при атмосферном давлении и температуре 70°С с постоянным перемешиванием лабораторной мешалкой по восемь часов в день. В начале каждого рабочего дня перед включением нагревания раствор взвешивался на весах с точностью до 1 г, а измерение основных параметров производилось через каждые 16 часов эксперимента.

Реологические свойства измерялись с использованием ротационного восьмискоростного вискозиметра OFITE, плотность — на рычажных весах. Для определения содержания твердой и жидкой фазы применялся ретортный анализ, электростабильность мы определяли при помощи специального измерителя электростабильности. Все это позволило с высокой точностью оценить параметры эмульсионного раствора. Зависимости, полученные по результатам тестирования, представлены на рис. 1 и 2. На основании данных зависимостей можно оценить скорость испарения жидкости и изменение основных параметров РУО.

Из графиков следует, что испарение жидкостей приводит к увеличению концентрации твердой фазы, за которым следуют увеличение плотности и, соответственно, загущение раствора. Через 64 часа испарения реологические параметры раствора на ротационном вискозиметре уже невозможно определить из-за сильного загущения.

Рост электростабильности означает, что из раствора активно испаряется вода (это также видно по ретортному анализу), а зашкаливание прибора по измерению электростабильности (>2000 В) через 32 ч эксперимента означает ее полное отсутствие (почти 100% испарение).

На рис. 2 видно, что за 24-32 ч происходит почти полное испарение воды, после чего начинает испаряться уже дизельное топливо. Это означает, что при бурении на инвертно-эмульсионном растворе необходимо ежесуточно восстанавливать исходное содержание воды и дизельного топлива.

На рис. 1 представлено изменение массы раствора. Известно, что испарилась жидкость, но при этом не известно какая — вода, дизельное топливо или обе жидкости, поэтому, зная массу испарившегося вещества, данные ретортного анализа и изменение плотности раствора, можно рассчитать объем испарения воды и дизельного топлива.

По итогам расчета испарения был построен график скорости испарения дизтоплива и воды, а также график зависимости удельного испарения воды и дизельного топлива от времени (рис. 3, 4).

Из рис. 3 видно, что активное испарение воды происходило первые 24 часа, а через 32 часа испарение воды полностью прекратилось (вода почти полностью испарилась). Также видно, что с течением времени скорость испарения дизтоплива снижается. Это можно объяснить тем, что в первую очередь испаряются легкие фракции дизельного топлива (летучие соединения), после чего происходит медленное испарение более тяжелых фракций.

Известно, что испарение зависит прежде всего от температуры, а также времени, скорости ветра, интенсивности перемешивания и площади открытой поверхности. В связи с этим для удобства и оперативности управления свойствами и составом инвертно-эмульсионного раствора при бурении в полевых условиях специалистами ООО НПП «БУРИНТЕХ» были составлены математические уравнения, позволяющие рассчитать количество испарившихся дизтоплива и воды в условиях эксперимента (температура на поверхности — 70°С) на единицу площади испарения. Эти математические зависимости представлены на рис. 4.

Расчет испарения дизельного топлива (Ид, л/м²) и воды (Ив, л/м²) выполняется по следующим формулам:

где t — время, ч.

Данные уравнения позволяют расчетным методом определить необходимое количество дизтоплива и воды для восстановления исходных концентраций в эмульсии как в лабораторных, так и в полевых условиях. Для моделирования процесса восстановления параметров раствора в полевых условиях в Испытательной лаборатории буровых растворов проводилось восстановление начального состава раствора путем добавления дизельного топлива и воды (соли остались в растворе).

В результате проведения нескольких экспериментов было установлено, что добавление сразу всего объема недостающей воды приводит к нежелательному резкому загущению, а имеющийся раствор уже обладает большой вязкостью. Поэтому в дальнейшем мы сначала вводили весь объем дизельного топлива, а затем порционно добавляли воду (медленно, по 20% от рассчитанного объема). Для того чтобы отследить влияние ввода воды в готовую эмульсию, после каждого добавления раствор перемешивался в миксере, а сразу после добавления выполнялся замер реологических параметров (через 5 и 15 мин перемешивания) (рис. 5).

Из рисунка видно, что добавление даже небольшого количества воды приводит к резкому загущению системы бурового раствора и росту реологических параметров, но после перемешивания в течение 15 мин при больших скоростях сдвига параметры стабилизируются.

В табл. 2 представлены основные характеристики исходного эмульсионного раствора после термостатирования при температуре 190°С (до эксперимента по испарению), а также конечные параметры раствора (после испарения, доведения плотности и повторного термостатирования при температуре 190°С).

Если сравнить параметры исходного раствора после термостатирования и конечные параметры раствора (после испарения, доведения плотности и повторного термостатирования), то можно увидеть, что пластическая вязкость и СНС почти вернулись к начальному значению. Значение ДНС снизилось в два раза (предположительно, из-за ухудшения работы органобентонита при длительном воздействии высокой температуры), но все равно осталось достаточным для удержания твердой фазы в растворе. Также нам удалось добиться нужной плотности, при этом раствор сохранил стабильность. Фактическое значение электростабильности (722В) оказалось выше требуемого (600В).

Для подтверждения полученных результатов был проведен аналогичный эксперимент по изучению влияния испарения на свойства эмульсии, но в этот раз в качестве основы эмульсионного раствора (вместо дизельного топлива) использовалось минеральное масло той же концентрации. Эмульсия была приготовлена в соответствии с представленным ранее составом — все компоненты введены в той же последовательности согласно концентраций. Таким образом, все условия эксперимента были соблюдены.

На рис. 6 представлены зависимости, полученные по результатам тестирования. Эти зависимости позволяют оценить скорость испарения жидкости и изменение основных параметров РУО.

Если сравнить рис. 1 и 6, то можно заметить, что в первом случае происходит более активное испарение за меньший промежуток времени. Это также видно по изменению содержания твердой фазы, водонефтяному соотношению и увеличению плотности. Так, в первом случае за 16 часов эксперимента содержание твердой фазы увеличилось до 49% (рис. 2), а во втором — только до 44%. Для формирования общей картины были проведены расчеты, позволяющие оценить испарение каждого компонента (вода, масло) в отдельности. Результаты этого расчета представлены на рис. 7.

Из приведенного графика видно, что полное испарение воды происходит менее чем за 50 часов, при этом масло практически не подвержено процессу испарения. В то же время полное испарение воды в эмульсии на дизельном топливе происходит менее чем за 40 часов (рис. 3), а дизельное топливо подвержено испарению.

Аналогично для удобства и оперативности управления свойствами и составом инвертно-эмульсионного раствора при бурении в полевых условиях специалистами ООО НПП «БУРИНТЕХ» были выведены математические уравнения, позволяющие рассчитать количество испарившихся масла и воды с единицы площади испарения в условиях эксперимента (температура на поверхности 70°С) (рис. 8).

Для расчета испарения масла (Им, л/м²) и воды (Ив, л/м²) могут применяться следующие формулы:

где t — время, ч.

ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИССЛЕДОВАНИЙ

В ходе проведенных исследований по испарению утяжеленного эмульсионного раствора было выявлено, что при температуре 70°С происходит сильное испарение водной и углеводородной фаз. Предположение о значительном влиянии испарения на свойства инвертной эмульсии подтвердилось.

В условиях эксперимента за первые 24 часа из РУО испаряется больше 95% воды. Также мы установили, что при испарении воды и дизельного топлива происходит интенсивный рост реологических параметров эмульсии из-за увеличения концентрации твердой фазы и плотности.

Дополнительно выведены зависимости удельной скорости испарения от времени, позволяющие рассчитать количество воды и углеводорода, необходимое для восстановления начального водонефтяного соотношения. Закономерности испарения водной и углеводородной фаз и влияния этого процесса на реологические параметры инвертной эмульсии, полученные при тестировании раствора на дизельном топливе, подтвердились, в том числе в случае испарения эмульсии с минеральным маслом в качестве дисперсионной среды. Также был также сделан вывод о том, что при использовании минерального масла для приготовления инвертной эмульсии испарение самого масла незначительно, а испарение водной фазы происходит значительно медленнее, чем в случае использования дизельного топлива. Таким образом, для предотвращения сильного загустевания эмульсионного раствора из-за испарения в условиях буровой необходимо постоянно следить за изменением параметров раствора и ежедневно проводить восстановление исходного содержания воды и углеводорода.

Список литературы

1. Патент №2016041 Российской Федерации, МПК С09К7/06. Буровой раствор на углеводородной основе / Канзафаров Ф.Я. ННИиПИНП «НижневартовскНИПИнефть»; Заявка: 4929267/03 от 22.04.1991
2. Патент №1383774 Российской Федерации, МПК С09К7/06. Инвертный эмульсионный буровой раствор / Казьмин А.В., Логинов Ю.Ф., Сергиенко Л.П.; Заявка: 4077531/03 от 21.04.1986
3. Патент №2224002 Российской Федерации, МПК С09К7/06. Буровой раствор на углеводородной основе / Лукманов Р.Р., Лукманова Р.З., Ахметшин Р.З., Коньков В.Н., Пушилин В.В.; Заявка: 2002109343/032002109343/03 от 10.04.2002