PL242825B1 - Wodnodyspersyjna płuczka wiertnicza - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest wodnodyspersyjna płuczka wiertnicza na bazie wody, biopolimeru oraz środka powierzchniowo czynnego, która charakteryzuje się tym, że na 1 dm3 wody zawiera dodatek: od 1 do 3 cm3 biocydu, od 3 do 10 g inhibitora twardości wody Na2CO3, od 3 do 12 g biopolimeru ksantan, od 1 do 5 cm3 środka spieniającego będącego mieszaniną składającą się z 50% obj. kokamidopropylobetainy i obj. N-tlenku kokosowego-N,N-dimetylopropyloamidu, od 0,5 do 5 g alkoholu poliwinylowego, od 1 do 10 cm3 stabilizatora piany będącego mieszaniną składającą się z 70% obj. laurylosiarczanu sodu i 30% obj. glikolu polietylenowego PEG 200 od 10 do 40 g środka skrobiowego, od 5 do 20 g karboksymetylocelulozy LV, od 30 do 70 g KCl oraz materiał obciążający w postaci węglanu wapnia.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest wodnodyspersyjna płuczka wiertnicza zawierająca mikrosfery powietrza, przeznaczona do przewiercania warstw przepuszczalnych o niskim ciśnieniu złożowym.

Podczas wiercenia otworów w formacjach o niskim ciśnieniu złożowym oraz w warstwach przepuszczalnych i mikroporowatych za pomocą konwencjonalnych płuczek wiertniczych bardzo często występują problemy z utrzymaniem różnicy ciśnień, które mogą prowadzić do zaników płuczki wiertniczej, niekiedy utraty obiegu i zwiększenia czasu przestoju. Zaniki częściowe lub całkowite płuczki występują, gdy ekwiwalentna gęstość cyrkulacyjna płuczki ECD jest znacznie większa niż ciśnienie przewiercanej formacji, prowadzić one mogą do niestabilności otworu, przyklejenia rur płuczkowych, oraz przechwycenia przewodu. W niektórych przypadkach utrata obiegu płuczki wymaga przerwania wiercenia i kosztownej wymiany całej objętości płuczki.

Jednym ze sposobów ograniczania zaników płuczki podczas wiercenia otworu jest zmniejszanie jej filtracji przez dodatek polimerów rozpuszczalnych w wodzie i kontrolowanie lepkości filtratu. Zapobieganie filtracji płuczki poprzez tworzenie osadu filtracyjnego nie jest ochroną kompletną, ponieważ filtrat z płuczki w dalszym ciągu migruje do strefy przyodwiertowej, powodując narastanie osadu filtracyjnego, który może być przyczyną przyklejania i przechwycenia przewodu wiertniczego.

Kolejnym z praktykowanych sposobów zapobiegania utracie cyrkulacji płuczki podczas przewiercania formacji o obniżonym gradiencie ciśnienia jest stosowanie materiałów zapobiegających zanikom płuczki (LCM). Zazwyczaj są to materiały o różnych kształtach i uziarnieniu, które dodawane są do płuczki, w taki sposób, aby mogły utworzyć szczelne uszczelnienie w strefie zaniku. Podejście takie jest wystarczające tylko do prowadzonych wierceń, gdzie nie występują komplikacje wiertnicze. Natomiast wiercenie w warstwach o niskim ciśnieniu złożowym, warstwach porowatych i silnie przepuszczalnych wymaga stosowania innych technik wiercenia jak np. wiercenia underbalance. W takim przypadku do przewiercania formacji najczęściej stosowane są płuczki gazowe, pianowe lub aeryzowane. Stosowanie tej technologii w przemyśle jest dość kosztowne i wymaga stosowania specjalistycznego sprzętu i zachowania odpowiednich środków bezpieczeństwa.

W opisie patentowym US7101829B2 ujawniono skład cieczy ograniczający zaniki płuczek w przepuszczalne formacje o niskim ciśnieniu złożowym. Ujawniony skład płuczki zawiera od 50 do 90% fazy wodnej, dodatek środka do regulacji pH, środków do zwiększania lepkości, inhibitor hydratacji skał ilastych, emulgatory, środek obciążający oraz dodatek od 0,1 do 20% rozpuszczalnego w oleju polimeru.

Znane jest również rozwiązanie z opisu patentowego numer US7947627B2, w którym ujawniono sposób kontroli utraty płuczki wiertniczej w przewiercane formacje poprzez wpompowanie do strefy zaniku roztworu zawierającego polimer mający grupę funkcyjną, którą można zhydrolizować zasadą lub nukleofilem i ponowne jego przekształcenie w postać rozpuszczalną przez hydrolizę grupy funkcyjnej zasadą.

Z kolei w opisie patentowym nr US8575072B2 ujawniono skład cieczy wiertniczej zawierającej produkt reakcji oligomeryzowanego kwasu tłuszczowego i funkcjonalnego polimeru. W przykładzie wykonania funkcjonalny polimer jest kopolimerem jednego lub więcej monomerów alfa-olefinowych i bezwodnika kwasowego, alternatywnie funkcjonalnym polimerem jest kopolimer jednego lub więcej monomerów winylowych i bezwodnika kwasowego.

W innych rozwiązaniach ujawnionych w opisach patentowych zgłoszeń: US2818230 i US4155410, opisano sposób zapobiegania utracie krążenia płuczki, poprzez napowietrzanie płuczek wiertniczych.

Według innego rozwiązania, ujawnionego w zgłoszeniu patentowym numer US20010027880A1 przedstawiono sposób zastosowania do przewiercania warstw sczerpanych o obniżonym gradiencie ciśnienia złożowego płuczki zawierającej pęcherzyki powietrza nazywane jako afrony. Płuczka według ujawnionego patentu zawiera uwodniony polimer rozpuszczalny w wodzie i środek powierzchniowo czynny. Polimerami według niniejszego wynalazku mogą być polimery, które tworzą roztwory o „wskaźniku tiksotropowym” wynoszącym co najmniej 10, przy czym wskaźnik tiksotropowy jest stosunkiem lepkości Brookfielda przy 0,5 rpm do lepkości Brookfielda przy 100 rpm. Przykładowymi biopolimerami są polisacharydy wytwarzane przez działanie bakterii: Xanthomonas compestris znane jako gumy ksantanowe. Płyny według tego wynalazku powinny mieć pH w zakresie od około 7,0 do około 11. PH można regulować poprzez dodanie zasad, takich jak np. wodorotlenek potasu, węglan potasu, wodorotlenek sodu, węglan sodu, tlenek magnezu, wodorotlenek wapnia, tlenek cynku, i ich mieszaniny. W celu wytworzenia mikropęcherzyków powietrza do płuczki dodawane są niejonowe lub anionowe środki powierzchniowo czynne.

Znane jest również rozwiązanie przedstawione w zgłoszeniu patentowym nr CN102453471A, w którym przedstawiono skład płuczki wiertniczej zawierającej mikropęcherzyki powietrza, zalecanej do dowiercania złóż metanu zlokalizowanego w pokładach węgla kamiennego o obniżonym gradiencie ciśnienia złożowego. Płuczka zawierająca mikropęcherzyki powietrza na osnowie wodnej zawiera dodatek węglanu sodu, wodorotlenku sodu, zasadowego węglanu cynku, środków do regulacji parametrów reologicznych, środka spieniającego i środka stabilizującego. Zastosowanym środkiem do regulacji parametrów reologicznych jest polimer polisacharydowy XG 550 sieciowany tetraboranem sodu lub kwasem borowym. Środkiem spieniającym jest kationowy środek powierzchniowo czynny - tlenek dodecyloaminy. Natomiast środkiem stabilizującym jest nasycony alkohol tłuszczowy.

Do zmniejszania gęstości płuczek wiertniczych znane jest również rozwiązanie ujawnione w patencie US7767629B2. Niniejszy wynalazek zakłada stosowanie do płuczek na osnowie wody lub oleju dodatku mikrosfer: szklanych, ceramicznych lub tworzywa sztucznego, które można dodać do cieczy wiertniczej w celu zmniejszenia jej gęstości. Zasadniczo mikrosfery dodawane są do cieczy wiertniczej w ilości od 5% do 30% obj. w innych przypadkach może to stanowić nawet 50% obj. Kompozytowy składnik mikrosfery może mieć dowolny rozmiar i kształt. Mikrosfery mogą mieć wielkość od 200 do 4000 μm, i gęstość w zakresie od 0,4 do 1,0 g/cm³.

Przedstawione powyżej metody i sposoby zapobiegania zanikom płuczek podczas przewiercania warstw o obniżonym gradiencie ciśnienia złożowego poprzez wprowadzanie do nich materiałów LCM, na ogół nie przynoszą oczekiwanych rezultatów. Twarde, sztywne cząstki działają jak środki podsadzkowe, prowadząc w ten sposób do zwiększonych strat płuczek. Ponadto, materiały te migrują głęboko w obrębie złamań i spękań, znacząco zmniejszając przepuszczalność przewiercanych formacji. Także zapobieganie zanikom płuczek poprzez tworzenie osadu filtracyjnego nie jest ochroną kompletną, ponieważ filtrat z płuczki w dalszym ciągu migruje do strefy przyodwiertowej, powodując narastanie osadu filtracyjnego, który może być przyczyną przyklejania i przechwycenia przewodu wiertniczego. Podejście takie jest wystarczające tylko do prowadzonych wierceń, gdzie nie występują komplikacje wiertnicze. Natomiast wiercenie w warstwach o niskim ciśnieniu złożowym, warstwach porowatych i silnie przepuszczalnych, wymaga stosowania innych technik wiercenia jak np. wiercenia underbalance, która niestety jest technologią dość kosztowną i wymaga stosowania specjalistycznego sprzętu i zachowania odpowiednich środków bezpieczeństwa. Natomiast wadą ujawnionych w patentach składów płuczek wiertniczych zawierających mikrosfery powietrza jest ich krótka stabilność w czasie, wpływająca na wzrost gęstości płuczki i zmianę jej parametrów reologicznych.

Celem wynalazku jest opracowanie składu płuczki wiertniczej o obniżonej gęstości do przewiercania warstw przepuszczalnych o obniżonym gradiencie ciśnienia złożowego ze szczególnym uwzględnieniem polimerów charakteryzujących się odpowiednim profilem reologicznym oraz rodzajem i koncentracją związków powierzchniowo czynnych zdolnych do wytworzenia i stabilizacji mikrosfer powietrza w strukturze płuczki wiertniczej.

Cel ten osiągnięto w rozwiązaniu według wynalazku, w którym wodnodyspersyjna płuczka wiertnicza na bazie wody, biopolimeru oraz środka powierzchniowo czynnego charakteryzuje się tym, że na 1 dm³ wody zawiera dodatek: od 1 do 3 cm³ biocydu, od 3 do 10 g inhibitora twardości wody Na2CO3, od 3 do 12 g biopolimeru ksantan, od 1 do 5 cm³ środka spieniającego będącego mieszaniną składającą się z 50% obj. kokamidopropylobetainy i 50% obj. N-tlenku, N,N-dimetylopropylokokamidu, od 0,5 do 5 g alkoholu poliwinylowego, od 1 do 10 cm³ stabilizatora piany będącego mieszaniną składającą się z 70% obj. laurylosiarczanu sodu i 30% obj. glikolu polietylenowego PEG 200, od 10 do 40 g środka skrobiowego, od 5 do 20 g karboksymetylocelulozy LV, od 30 do 70 g KCl oraz materiał obciążający w postaci węglanu wapnia.

Zaletą takiego rozwiązania jest opracowanie składu płuczki wiertniczej do przewiercania formacji o niskim gradiencie ciśnienia złożowego, zawierającej w swoim składzie mikrosfery powietrza stabilizowane za pomocą filmu polimerowego z odpowiednio dobranymi surfaktantami. System ten charakteryzuje się wysokimi wartościami lepkości przy niskich szybkościach ścinania (LSRV) oraz obniżoną gęstością, ponadto nie tworzy mocnych żeli, co pozwala na szybkie wprowadzenie płuczki do strefy zaniku. Mikrosfery powietrza w płuczce wiertniczej spełniają rolę materiału uszczelniającego, mogą one zostać włączone do płuczki za pomocą konwencjonalnego sprzętu do mieszania, co zmniejsza koszty i pro blemy związane ze stosowaniem sprzętu do generowania piany (separatorów, węży wysokociśnieniowych oraz zachowania odpowiednich środków bezpieczeństwa). Dzięki zastosowaniu powyższego składu otrzymano płuczkę wiertniczą o gęstości poniżej 1 g/cm³, zawierającą w swoim składzie mikrosfery powietrza, dzięki czemu opracowany system płuczkowy jest w stanie uszczelniać strefy zaników płuczki i skutecznie minimalizować utratę obiegu płuczki, utrzymywać różnicę gęstości i uniknąć uszkodzenia formacji. Charakterystyczny profil reologiczny płuczki i zawarte w niej mikrosfery powietrza wpływają na zmniejszenie inwazji w przepuszczalne i spękane formacje skalne i minimalizują uszkodzenie strefy przyodwiertowej.

Technologię sporządzania płuczki wiertniczej wg wynalazku w warunkach laboratoryjnych w przykładzie wykonania opisano poniżej.

Sporządzenie płuczki o obniżonej gęstości, zawierającej mikrosfery powietrza w warunkach laboratoryjnych odbywa się w ten sposób, że do 1 dm³ wody wodociągowej podczas ciągłego mieszania w następującej kolejności dodano: 1 cm³ biocydu, 6 g inhibitora twardości wody Na2CO3 i 7 g biopolimeru ksantan. Po zdyspergowaniu biopolimeru do płuczki dodano 3 cm³ środka spieniającego RCH50, składającego się z 50% obj. kokamidopropylobetainy (Nr CAS 9004-74-4) i 50% obj. N-tlenku, N,N-dimetylopropylokokamidu (Nr CAS 68155-09-9), poddając ją intensywnemu mieszaniu za pomocą mieszadła mechanicznego z prędkością 2000 obr/min. przez okres 15 min. Po wytworzeniu mikrosfer powietrza do płuczki dodano 2 g alkoholu poliwinylowego, oraz 6 cm³ stabilizatora piany składającego się z 70% obj. laurylosiarczanu sodu (Nr CAS 85586-07-8) i 30% obj. glikolu polietylenowego PEG 200 (Nr CAS 25322-68-3). Następnie do płuczki dodano środek skrobiowy w ilości 20 g, 5 g karboksymetylocelulozy LV i 30 g KCl oraz materiał obciążający w postaci węglanu wapnia w ilości 30 g. Uzyskana płuczka charakteryzuje się zawartością mikrosfer powietrza 22,1%, gęstością 810 kg/m³, lepkością plastyczną 34 mPas, lepkością pozorną 68 mPas, granicą płynięcia 32,5 Pa, lepkością LSRV przy 0,06 s^-1 78000 mPas i filtracją 4,8 cm³/30 min.

Przeprowadzone badania filtracji, celem określenia właściwości uszczelniających opracowanej płuczki przez złoże piasku o granulacji od 0,25 do 1,0 mm, wykazały możliwość blokowania porów i szczelin skał przez mikropęcherzyki powietrza zawarte w płuczce. Inwazja płuczki w złoże wynosiła ok. 2 cm³, a filtracja została ograniczona do zera.

Płuczka wiertnicza według wynalazku może być stosowana do przewiercania formacji skał porowatych o obniżonym gradiencie ciśnienia złożowego, a także do wiercenia w sczerpanych złożach ropy naftowej i gazu ziemnego. Płuczka ta również może znaleźć zastosowanie do przewiercania słabo zwięzłych pokładów skał węglowych, charakteryzujących się dużą ilością spękań i szczelin oraz warstw chłonnych, przy których przewiercaniu mogą występować częste zaniki płuczek.

Claims (1)

1. Wodnodyspersyjna płuczka wiertnicza na bazie wody, biopolimeru oraz środka powierzchniowo czynnego znamienna tym, że na 1 dm³ wody zawiera dodatek: od 1 do 3 cm³ biocydu, od 3 do 10 g inhibitora twardości wody Na2CO3, od 3 do 12 g biopolimeru ksantan, od 1 do 5 cm³ środka spieniającego będącego mieszaniną składającą się z 50% obj. kokamidopropylobetainy i 50% obj. N-tlenku N,N-dimetylopropylokokamidu, od 0,5 do 5 g alkoholu poliwinylowego, od 1 do 10 cm³ stabilizatora piany będącego mieszaniną składającą się z 70% obj. laurylosiarczanu sodu i 30% obj. glikolu polietylenowego PEG 200, od 10 do 40 g środka skrobiowego, od 5 do 20 g karboksymetylocelulozy LV, od 30 do 70 g KCl oraz materiał obciążający w postaci węglanu wapnia.