Полный текст

Введение В процессе вскрытия продуктивного пласта в результате воздействия бурового раствора на призабойную зону ухудшение естественной проницаемости коллектора неизбежно [1-3]. Образование же плотной фильтрационной корки на поверхности пласта минимизирует влияние раствора на коллектор [4, 5]. Но на стадии освоения, особенно в протяженных горизонтальных стволах [6-8], фильтрационная корка выступает в качестве барьера, который приводит к снижению проницаемости породы [9, 10], закупориванию скважинных фильтров [11, 12] и, как следствие, к уменьшению продуктивности скважины [13-15]. В связи с этим разработка составов технологических жидкостей и технологии их применения, обеспечивающих удаление фильтрационной корки при установке в открытом стволе скважины, является актуальной задачей. В последнее время активно развивается направление отмыва или разрушения фильтрационной корки воздействием специальных композиций для максимального улучшения гидродинамической связи «скважина - пласт» [16-18] как зарубежными сервисными компаниями [19-21], так и отечественными [22-24]. Это обусловлено необходимостью проведения работ в призабойной зоне горизонтальных участков скважин с установленными в них фильтрами, устройствами контроля притока и т.п., которые склонны к закупориванию. Также необходимо учитывать материалы фильтра, подвергающиеся химическому воздействию композиций. То есть технологические жидкости не должны оказывать существенного влияния на фильтр и в то же время должны быть эффективными в разрушении всех компонентов, слагающих фильтрационную корку, при этом не нанося ущерб продуктивному пласту [25, 26]. Стоит отметить, что применение технологических жидкостей для разрушения фильтрационной корки способствует облегчению вызова притока, что особенно актуально для скважин с ограничениями по депрессии [11, 27, 28]. Проблема устранения повреждений продуктивного пласта посредством разрушения фильтрационной корки актуальна для скважин Восточно-Мессояхского месторождения [29]. Методика исследований Лабораторные исследования проводились на базе лаборатории кафедры бурения скважин Горного университета в два этапа, в результате которых был выбран наиболее эффективный состав для разрушения фильтрационной корки, образующейся при воздействии раствора первичного вскрытия на призабойную зону. На первом этапе было исследовано и оценено действие трех зарубежных деструкторов. Целью этапа являлось изучение влияния различных по своей основе разрушителей на соответствующие критические компоненты фильтрационной корки [30] и подбор наиболее оптимальных и эффективных составляющих разрабатываемого разрушителя. В задачи первого этапа входило: 1. Приготовление раствора, на котором происходит вскрытие продуктивного пласта. Оптимальная промывочная жидкость для вскрытия продуктивного пласта должна содержать только такие компоненты, которые легко растворяются и диспергируются при освоении скважины [25, 31, 32]. Безглинистые биополимерные системы наиболее полно отвечают требованиям промывки скважин, в том числе с горизонтальными стволами, и активно применяются в буровой практике вследствие минимального негативного воздействия на призабойную зону пласта [33-35]. Таблица 1 Компонентный состав раствора первичного вскрытия Реагент Концентрация, % Назначение реагента КСl 4 Регулятор плотности Биополимер 0,4 Загуститель-структурообразователь Крахмал 1,5 Регулятор водоотдачи СaCO3 8 Кольматант «Шлам» 2* Имитация выбуренной породы Примечание: * 2 % твердой фазы (в качестве имитации выбуренной породы) - максимально допустимое содержание твердой фазы для растворов первичного вскрытия, которое не влияет на увеличение репрессии и прочностные свойства фильтрационной корки. Для испытаний была выбрана стандартная рецептура раствора первичного вскрытия, применяемая на Восточно-Мессояхском месторождении. Компонентный состав и назначение каждого реагента приведены в табл. 1. Приготовление раствора происходило посредством ввода реагентов в определенной последовательности: KCl, крахмал, биополимер, карбонат, имитация выбуренной породы при тщательном перемешивании. В качестве шлама был использован измельченный керн продуктивного пласта Восточно-Мессояхского месторождения. Далее раствор оставляли минимум на 16 ч, в течение которых происходило структурное раскрытие биополимера. Характеристики биополимерного раствора отражены в табл. 2. 2. Получение фильтрационной корки посредством фильтр-пресса HT-HP (Fann) на бумажных дисках (рис. 1). По истечении 16 ч раствор перемешивался в течение 5 мин и помещался в ячейку фильтр-пресса HT-HP на 30 мин (при комнатной температуре и давлении 2 МПа) для формирования фильтрационной корки. 3. Выдерживание сформированных фильтрационных корок в брейкерной системе. Сформированная фильтрационная корка помещалась в контейнер с предварительно приготовленным брейкером (согласно методике компании-производителя продукта) и оставлялась на 24 ч. Проводилось не менее трех испытаний по деструктуризации фильтрационной корки на каждый состав разрушителя. 4. Оценка полученного результата. По истечении 24 ч корка извлекалась, и далее осуществлялся экспресс-тест на наличие крахмала и карбоната кальция путем взаимодействия с 5 % раствором йода и 10 % раствором соляной кислоты соответственно. Изменение цвета йодного раствора на фиолетовый (синий) указывало на наличие в фильтрационной корке крахмала. Бурная реакция с соляной кислотой свидетельствовала о присутствии карбоната кальция. Цель второго этапа лабораторных испытаний - исследование проницаемости керамических дисков, имитирующих пласт, после обработки составом разрушителя для фиксации изменения их фильтрационно-емкостных свойств. После подбора компонентного состава брейкера оценивали эффективность работы исследуемых составов в условиях высокого давления. Исследования проводились по следующей методике: 1) измеряли реологические параметры и плотность бурового раствора; 2) формировали фильтрационную корку на приборе HT-HP (керамический диск 10 мкм, температура 22 оС, время 30 мин); 3) далее разбирали фильтрационную ячейку и фотографировали фильтрационную корку; 4) заново собирали фильтрационную ячейку, куда помещался керамический диск с ранее сформированной фильтрационной коркой; Таблица 2 Параметры биополимерного раствора Параметр Плотность, кг/ м3 Ф 30 мин, мл Gel 10 sec Gel 10 min R600 R300 R6 R3 ᵑр, мПа*с ᵑу, фунт/ 100 фут2 Значение 1080 4 11 14 43 32 9 7 11 21 5) заливали в ячейку состав разрушителя, и затем происходило термостарение при 23 оС и давлении 110 psi в течение 24 ч; 6) по истечении 24 ч разбирали ячейку HT-HP и фотографировали диск с остатками фильтрационной корки (если имеются); 7) определяли наличие крахмала и карбоната кальция на диске; 8) заново собирали ячейку (перевернув диск фильтрационной коркой вниз) и замеряли время истечения 300 мл моторного масла при давлении 300 psi (или замеряли объем фильтрата за 30 мин фильтрации); 9) разбирали фильтрационную ячейку, извлекали диск-фильтр и определяли наличие крахмала и карбоната кальция на диске посредством экспресс-тестов. Лабораторные исследования (основная часть) На первом этапе лабораторных исследований проводилось тестирование трех зарубежных систем-разрушителей фильтрационной корки. После выдерживания в течение 24 ч в жидкости разрушителя проводились экспресс-тесты на присутствие в фильтрационной корке основных загрязняющих компонентов - крахмала и карбоната кальция. Наиболее эффективным брейкером по деструкции фильтрационной корки стал состав на основе хелатных и энзимных соединений, что также подтверждает анализ литературных источников [36, 37]. При применении данного брейкера достигается полное разрушение корки за установленный период (рис. 2, а). Оставшиеся два брейкера зарубежного производства на основе органических и неорганических кислот выполняют свою функцию частично: фильтрационная корки разрушена не полностью, наблюдаются «остатки» ее компонентов (рис. 2, б). Следующим шагом исследований стал подбор хелата и энзима для разрабатываемой жидкости. Выбор хелатного соединения Хелатообразующий агент способствует образованию комплексов ионов металлов, присутствующих в фильтрационных корках, образованных жидкостями для вскрытия продуктивных пластов, и в жидкостях заканчивания [38], особенно ионов кальция, железа и магния. Вступает в реакцию исключительно с карбонатом кальция и не вызывает коррозии, по сравнению с кислотами или окислителями [39]. Для подбора наиболее эффективного хелатного соединения было проведено исследование по определению растворяющей способности карбоната кальция. Данная методика была предложена специалистами НПП «Буринтех». В ходе исследований испытано три комплексообразователя (хелата): аминосодержащий (хелат № 1), фосфорсодержащий (хелат № 2), соли уксусной кислоты (хелат № 3). Исследования проводились по следующей методике: навеска мела 10 г помещалась в сосуд с хелатным соединением и выдерживалась при различных значениях pH среды для изучения влияния данного параметра на протекание реакции. Далее сосуд помещался в печь, где происходило выпаривание жидкости. Затем оценивалась остаточная масса карбоната кальция путем взвешивания после взаимодействия с хелатом (m2) и рассчитывалась массовая доля веществ, растворимых в комплексообразователе (К), по формуле (1): (1) где m1 - исходная масса навески мела, г; m2 - масса мела после реакции с хелатом и просушки, г. По итогам проведенных испытаний отмечается высокая растворяющая способность используемых комплексообразователей при различных значениях рН. Наибольшая скорость наблюдается в диапазоне значений рН = 4-7, так как кислотная среда способствует интенсивному растворению карбонатов. В кислотной среде количество растворенного мела увеличивается на 9-17 %. Это можно объяснить тем фактом, что в щелочной среде большое количество ионов OH- способствуют протеканию побочных (нежелательных) реакций, вступая во взаимодействие с исходными веществами и снижая селективность реакции [40]. По количеству растворенного мела хелаты № 1 и № 3 превосходят реагент зарубежной компании. Исходя из проведенных исследований, наиболее эффективным по растворяющей способности карбоната кальция оказался хелат, являющийся солью уксусной кислоты (рис. 3). Массовая доля растворенных веществ (карбоната кальция) при взаимодействии с данным хелатом составила 92 % при pH = 4-7 (84 % при pH = 7-10). Выбор энзима (деструктора крахмала) Энзим - это комплексные трехмерные молекулы протеина, вырабатываемые живыми клетками. Энзим при взаимодействии с молекулами крахмала разрушает их на обычные углеводы и сахара (является катализатором процесса гидролиза крахмала), при этом нарушая целостность фильтрационной корки и повышая эффективность освоения скважины [41]. Труднодоступность, а также достаточно высокая цена энзимов на рынке реагентов стали определяющими факторами при выборе фермента для разрушения крахмала. Анализ литературных источников [42-44] показал, что деструкция крахмала наиболее эффективно осуществляется специальным ферментом - альфа-амилазой. Альфа-амилаза - сложное органическое соединение белковой природы, биологический катализатор. Взаимодействие крахмала с альфа-амилазой сопровождается реакцией гидролиза, в результате которой образуются цепочки моносахаридов [41]. В лабораторных условиях было проверено влияние альфа-амилазы на крахмал, содержащийся в фильтрационной корке. Сформированная фильтрационная корка помещалась в контейнер с энзимом и выдерживалась при различных значениях температуры и pH. После извлечения фильтрационной корки проводился тест на наличие крахмала: оценка дается по изменению цвета раствора йода при взаимодействии с компонентами фильтрационной корки. Наличие крахмала дает синее окрашивание йода, а отсутствие - коричневое. Рис. 1. Фильтр-пресс HT-HP а б Рис. 2. Лабораторные исследования с использованием брейкера: а - фильтрационная корка после применения брейкера на основе хелатов и энзимов; б - бумажный фильтр с остатками фильтрационной корки после применения брейкера на основе органической кислоты Рис. 3. Массовая доля веществ, растворимых в реагентах-хелатах при комнатной температуре и различном уровне рН Рис. 4. Изменение цвета йодного раствора, свидетельствующее о наличии крахмала в фильтрационной корке В ходе лабораторных испытаний энзимов выявлено, что разрушение крахмала наиболее эффективно происходит при температуре реакции 50-75 °С - наблюдается полное удаление крахмала с поверхности диска. При более низких температурах происходит лишь его локальное разрушение, а при температуре выше 90 °С энзим начинает коагулировать, т.е теряет свою способность воздействовать на крахмал. В таком случае энзим не просто неэффективен, но и становится источником загрязнения коллектора [45]. Также энзимы не функционируют при значениях pH выше 10. По результатам исследований, проведенных на первом этапе, были выбраны основные компоненты разрушителя фильтрационной корки, которыми стали соли уксусной кислоты, выполняющие роль растворителя карбоната кальция, и альфа-амилаза в качестве деструктора крахмала. Второй этап исследований предполагал испытания трех зарубежных и разрабатываемого в данной работе брейкеров под действием давления. Все испытания проводились на фильтр-прессе HT-HP по методике, изложенной выше. Помимо испытаний брейкеров при давлении выдержки 110 psi (в течение 24 ч) были проведены опыты, в которых разрушитель оставляли на сутки при давлении в ячейке 500 psi - максимально приближенное к забойным условиям давление в лабораторных условиях согласно методикам API. Результаты исследований отражены в табл. 3. Полученные результаты фильтрации моторного масла через керамический диск (после выдержки фильтрационной корки в жидкости разрушителя) сравниваются с фильтрацией того же моторного масла через диск без фильтрационной корки и диск, фильтрационная корка которого не разрушалась. Сравнение этих величин позволяет сделать вывод об эффективности действия брейкерной жидкости по восстановлению фильтрационных свойств диска. В ходе испытаний было отмечено, что при проведении испытаний при значении давления в ячейке фильтр-пресса в 500 psi тест на наличие крахмала и карбоната кальция имеет положительный результат, следовательно, система для разрушения фильтрационной корки не работает. Повышение давления в рабочей среде препятствует выделению углекислого газа, который образуется в результате взаимодействия между хелатом и карбонатом кальция, что в итоге затрудняет химическую реакцию, так как максимально снижается скорость ее протекания [46, 47]. Оценка эффективности работы брейкерной системы по разрушению фильтрационной корки проведена на основе сравнения величин расхода моторного масла через керамические фильтры: 1) керамический диск, на котором не происходило формирование корки: по расходу через данный диск-фильтр можно оценить проницаемость пласта, не нарушенную воздействием раствора первичного вскрытия; 2) диск-фильтр с необработанной разрушителем фильтрационной коркой - позволяет оценить ухудшение проницаемости от применения раствора первичного вскрытия; 3) керамический фильтр с разрушенной фильтрационной коркой с помощью брейкерной системы. В ходе проводимых испытаний замеряли время истечения 300 мл моторного масла через керамический диск без фильтрационной корки (при давлении 300 psi в ячейке фильтр-пресса HT-HP) - 3 мин 20 с, при этом величина расхода составила 1,5 мл/c. Таким же образом был определен расход через керамический диск со сформированной на нем фильтрационной коркой (без воздействия систем разрушителей фильтрационной корки). Объем фильтрации 300 мл моторного масла за 30 мин составил 0,4 мл - расход равен 0,000222 мл/c. Таблица 3 Результаты второго этапа исследований Брейкер После выдержки в ячейке (22 оС, 500 psi) Объем фильтрата моторного масла за 30 мин, мл После выдержки в ячейке (22 оС, 110 psi) Объем фильтрата моторного масла за 30 мин, мл После выдержки в комнатных условиях (22 оС) Объем фильтрата моторного масла за 30 мин через ФК (не обработанную брейкером), мл тест на крахмал тест на СаСО3 тест на крахмал тест на СаСО3 тест на крахмал тест на СаСО3 № 1 + + 1,2 + - 5,6 + - 0,4 № 2 + + 0,75 + - 3,2 + - № 3 + + 0,8 + - 5,4 + - Разрабатываемый состав + + 0,55 + - 1,8 + - Примечание: ФК - фильтрационная корка. Таблица 4 Величина расхода моторного масла при использовании различных сред Брейкер Расход (Q) моторного масла через керамический диск, мл/с после применения брейкерной системы с необработанной брейкерной системой фильтрационной коркой без формирования фильтрационной корки на фильтре Зарубежный 1 0,0031 0,000222 1,5 Зарубежный 2 0,00178 Зарубежный 3 0,003 Разрабатываемый состав 0,001 Сравнение величин расхода моторного масла через керамические диски позволит судить об изменении фильтрационных свойств коллектора и качества канала связи «пласт - скважина» (табл. 4). Исходя из значений расхода моторного масла через керамические диски, увеличение расхода моторного масла вследствие применения брейкерных систем свидетельствует об их эффективности. Расход изменяется в 8-14 раз при применении зарубежных систем разрушителей фильтрационной корки и в 4,5 раза при использовании разрабатываемого состава (см. табл. 4). Заключение По итогам анализа проведенных лабораторных исследований стоит отметить эффективность существующих систем для разрушения полимерминеральной фильтрационной корки. Подобранные в процессе исследований компоненты разрабатываемой брейкерной системы, а именно хелат и энзим, продемонстрировали свою эффективность. Наилучший результат по способности растворять карбонат кальция показал хелат, представляющий собой соль уксусной кислоты. В свою очередь в качестве разрушителя крахмала был выбран фермент альфа-амилаза, продемонстрировавший хорошее деструктурирующее воздействие на полимер. Разработанный состав энзим-хелатной основы разрушает полимерминеральную фильтрационную корку - фильтрационные свойства керамического диска улучшаются в 4,5 раза. Требуется доработка композиции для увеличения показателей эффективности как минимум до уровня зарубежных производителей или выше.

Об авторах

Артем Андреевич Петров

Автор, ответственный за переписку.
Email: nbdriller@yandex.ru
Россия, 199106, г. Санкт-Петербург, Васильевский остров, 21-я линия, 2

аспирант кафедры бурения скважин

Николай Иванович Николаев

Email: nikinik@mail.ru
Россия, 199106, г. Санкт-Петербург, Васильевский остров, 21-я линия, 2

доктор технических наук, профессор кафедры бурения скважин

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 312

PDF (Russian) - 188

PDF (English) - 110

Ссылки

• Ссылки не определены.