авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |

Разработка высококонцентрированной инвертно- мицеллярной дисперсии для заканчивания скважин

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

РАМАЗАНОВ АРТУР РАМАЗАНОВИЧ

РАЗРАБОТКА ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННОЙ ИНВЕРТНО-

МИЦЕЛЛЯРНОЙ ДИСПЕРСИИ ДЛЯ ЗАКАНЧИВАНИЯ СКВАЖИН

25.00.15 - Технология бурения и освоения скважин

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Уфа - 2012

Работа выполнена в открытом акционерном обществе «Научно-производственная фирма «Геофизика» (ОАО НПФ « Геофизика»)

Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Агзамов Фарит Акрамович

Официальные оппоненты:

Лукманов Рауф Рахимович – доктор технических наук, профессор, ОАО «Научно-производственная фирма «Геофизика», лаборатория акустических методов исследования скважин, ведущий научный сотрудник

Четвертнева Ирина Амировна – кандидат технических наук, ООО «АНЕГА-бурение», сектор промывочных жидкостей, руководитель сектора

Ведущая организация – Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет» (г.Тюмень)

Защита состоится «25» мая 2012 года в 14-00ч. на заседании диссертационного совета Д 520.020.01 при открытом акционерном обществе «Научно-производственная фирма «Геофизика» (ОАО НПФ «Геофизика») по адресу: 450005, г.Уфа, ул. 8-ое Марта,12

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО НПФ «Геофизика».

Автореферат разослан 23 апреля 2012 года

Ученый секретарь Хисаева Дилара Ахатовна

диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

С точки зрения качества бурения и вскрытия продуктивных пластов предпочтительными промывочными системами являются растворы на углеводородной основе (РУО), однако на практике они применяются в исключительных случаях, когда нельзя обойтись раствором на водной основе (РВО). Это обусловлено, прежде всего, высокой стоимостью РУО, их пожароопасностью, сложностью приготовления, токсичностью их самих и отходов бурения. В этой связи, актуальна задача разработки РУО, обладающих качеством, характерным для данной группы растворов, но свободных от перечисленных недостатков.

Совершенствование РУО в плане повышения экологичности и обеспечения промышленной безопасности достигается использованием синтетических или высокоочищенных минеральных углеводородных основ, доведенных на сегодня до уровня, позволяющего не вывозить получаемый буровой шлам на полигон, а применять его в смеси с почвой для рекультивации буровой площадки без предварительной обработки. Однако стоимость РУО на таких основах на порядок превосходит стоимость ингибирующих РВО. Значительные потенциальные возможности удешевления РУО на синтетической основе заложены в использовании инвертных эмульсий и управлении содержанием в них углеводородного компонента. При содержании воды в обратной эмульсии более 85 % стоимость РУО даже на дорогой синтетической основе сравнивается со стоимостью РВО, однако таких систем, применимых в качестве буровых растворов, до сих пор не разработано. Это связано с необходимостью решения научной проблемы обеспечения текучести и стабильности эмульсии при концентрациях дисперсной фазы намного превышающих критическую, при которой начинается взаимное перекрытие ее глобул. В этом отношении перспективны технологии, основанные на самоэмульгирующихся инвертно-мицеллярных дисперсиях, которые получили развитие в данной работе.

Цель работы разработать и внедрить экологически чистую высококонцентрированную инвертно-мицеллярную дисперсию для повышения качества заканчивания скважин.

Объект исследования эмульсионные технологические жидкости с неполярной внешней фазой, содержащие менее 12% углеводорода, для заканчивания скважин.

Предмет исследования – свойства высококонцентрированных инвертно-мицеллярных дисперсий для заканчивания скважин.

Основные задачи исследования

  1. Обосновать методическое обеспечение тестирования свойств и оценки качества высококонцентрированных инвертно-мицеллярных дисперсий, применяемых для заканчивания скважин.
  2. Обосновать компонентный состав инвертно-мицеллярной дисперсии с позиций обеспечения ее экологической и производственной безопасности.
  3. Проанализировать методы получения и свойства мицеллярных дисперсий с пониженным содержанием углеводорода, обосновать пути их совершенствования.
  4. Исследовать свойства инвертно-мицеллярных дисперсий на основе мицеллообразователя СУПРАМОЛ-1 и обосновать рациональные области применения ИМД в процессах бурения и заканчивания скважин.
  5. Разработать рецептуры высококонцентрированных инвертно-мицеллярных дисперсий с неполярной внешней фазой, содержащих менее 12% углеводорода, и провести их промысловые испытания.

Методы исследования

Поставленные задачи решались путем тестирования технологических свойств инвертно-мицеллярных дисперсий электрическими методами, методами реометрии, а также методами исследования фильтратоотдачи по стандарту API. При воспроизведении условий циркуляции в скважине применялась гидродинамическая симуляция в пакете конечноэлементного анализа Comsol Multiphysics.

Научная новизна

  1. Обоснован и предложен обобщенный показатель оценки стабильности эмульсий, позволяющий повысить достоверность результатов и прогнозировать показатель фильтрации.
  2. Доказано кратное снижение значений реологических параметров и повышение стабильности инвертно-мицеллярных дисперсий на основе полиэфирного мицеллообразователя СУПРАМОЛ-1.
  3. Экспериментально установлено, что инвертно-мицеллярные промывочные жидкости на основе мицеллообразователя СУПРАМОЛ-1 обладают критической скоростью сдвига, превышение которой приводит к увеличению эффективной вязкости при постоянной во времени и нелинейно зависящей от скорости сдвига скорости динамического загущения.

Основные защищаемые научные положения

  1. Обоснование строения и механизма образования ИМД на основе предложенного мицеллообразователя.
  2. Методики оценки электростабильности, моделирования циркуляции и определения реологических параметров разработанных инвертно-мицеллярных дисперсий.
  3. Обоснование состава и результаты исследований свойств разработанных инвертно-мицеллярных дисперсий.
  4. Результаты промысловых испытаний разработок.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций

Установленные экспериментально характерные особенности и закономерности изменения свойств инвертно-мицеллярных дисперсий согласуются с известными теоретическими представлениями о строении мицелл, кинетике свойств мицеллярных растворов, агрегировании ПАВ в различных средах. Технологические свойства инвертно-мицеллярных дисперсий изучались с применением современных методов тестирования буровых растворов и подтверждены официальным заключением аккредитованной лаборатории строительства скважин ООО «БашНИПИнефть».

Практическая значимость и реализация результатов работы

  1. Разработанная экологически и пожаробезопасная инвертно-мицеллярная дисперсия ИМД-БР при использовании парафиновой основы в 4,1 раза дешевле зарубежной инвертно-эмульсионной системы «PARALAND» и в 3,5 раза дешевле ее аналога на отечественных заменителях (ЭРУО) при аналогичном качестве.
  2. Большая продолжительность стадии нуклеации позволяет полностью заменить скважинную жидкость на ИМД-БР до момента обращения фаз, что устраняет необходимость применения углеводородных буферных разделителей и позволяет обойтись без емкости для приготовления раствора, смешивая минерализованную воду с углеводородным раствором мицеллообразователя непосредственно на входе в скважину.
  3. Разработанный мицеллообразователь позволяет при в 2,3 раза меньшем расходе получать термодинамически стабильные инвертно-мицеллярные дисперсии, обладающие в сравнении с аналогами с идентичным водосодержанием в 7,7 раз меньшей фильтрацией и в 1,5 раза большей термостойкостью при снижении значений реологических параметров от 2 до 32 раз.
  4. Полученная в промысловых условиях ИМД-БР с объемным соотношением углеводород: вода 11:89 обеспечила успешное сверление перфорационных каналов на глубине 3743 м, тогда как базовую инвертную эмульсию на основе нефтяного эмульгатора Девон-4В с величиной этого соотношения 27:73 не удалось закачать в скважину из-за высоких гидравлических сопротивлений.
  5. Применение разработанной ИМД-БР при вторичном вскрытии трещиноватых известняков Афонинского горизонта в скважине №158 Архангеловского участка Дачно-Репинского месторождения в сравнении с использованием пластовой воды позволило уменьшить поглощение перфорационной жидкости при кратно большей депрессии в 7,2 раза, обеспечив ускорение освоения скважины в 19 раз и прирост дебита нефти в 2,3 раза.

Личный вклад автора

Лично автором обобщен теоретический и экспериментальный материал, относящийся к получению, оценке качества и использованию технологических жидкостей с неполярной внешней фазой, выполнена значительная часть опытных работ по исследованию их свойств, организовано производство СУПРАМОЛ-1, собран и проанализирован промысловый материал.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на следующих международных научно-практических конференциях:

- II Международной научно-практической конференции «Повышение качества строительства скважин» (Уфа, 2010);

- II Международной конференции молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники» (Уфа, 2010);

- Международной научно-практической конференции «Нефтегазовый комплекс в условиях индустриально-инновационного развития Казахстана», посвященной 20-летию независимости Республики Казахстан (Атырау, 2011).

Публикации

По содержанию работы опубликовано 10 печатных работ, две из которых в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав и основных выводов, содержит 204 страницы машинописного текста, в том числе 12 таблиц, 81 рисунок, список использованных источников из 104 наименований и 2 приложения.

Автор считает своим долгом выразить особую признательность научному руководителю профессору Ф.А. Агзамову, искреннюю благодарность кандидату технических наук А.Я. Соловьеву.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана перспективность технологических жидкостей с неполярной внешней фазой, выделены свойственные им проблемы, препятствующие широкому использованию в заканчивании скважин, обозначен путь преодоления указанных проблем, а именно, переход от лиофобных инвертно-эмульсионных растворов (ИЭР) к лиофильным инвертно-мицеллярным дисперсиям (ИМД) с пониженным содержанием углеводородной основы, указаны характерные особенности поведения свойств ИМД, как представителей SMART-гелей. На этой основе, применительно к использованию ИМД в качестве бурового раствора, жидкости перфорации, сформулированы цель и задачи исследований.

В первой главе проанализированы существующие разновидности ИЭР, выделены наиболее перспективные буровые растворы на основе углеводородов группы LTMBF (Low Toxicity Mineral Oil Based Fluids), для которой подробно рассмотрены экономические, технологические, экологические аспекты применения, и даны рекомендации в отношении используемых углеводородов, а также солей для минерализации водной фазы. В частности, на основе исследований воздействия различных углеводородов на экосистему почв для получения экологически безопасной ИЭР рекомендовано использование н-парафинов широкой фракции С12-С17 в сочетании с минимально необходимыми количествами хлоридов щелочных металлов или их смесей с аналогичными ацетатами и нитратами. Выполнен технико-экономический анализ, показавший, что путем изменения концентрации эмульгатора в технологически обоснованных пределах невозможно снизить стоимость ИЭР на основе н-парафинов до уровня, сопоставимого со стоимостью ингибирующих промывочных растворов на водной основе (рис.1).

 Влияние концентрации эмульгатора и содержания углеводородной основы на-0

Рис. 1. Влияние концентрации эмульгатора и содержания углеводородной основы на стоимость инвертной эмульсии

Требуемое содержание углеводорода обеспечивается при содержании воды выше 88%, что намного превышает пороговое значение концентрации дисперсной фазы 72%, отделяющее концентрированные эмульсии, применимые в качестве буровых растворов, от высококонцентрированных, которые не могут использоваться с данной целью вследствие сильного структурирования. Поэтому реализация необходимого содержания углеводорода в составе ИЭР требует принципиально новых решений в области получения и стабилизации эмульсионных дисперсных систем.

Анализ существующих инвертно-эмульсионных дисперсных систем с пониженным содержанием углеводородного компонента показал, что они являются инвертно-мицеллярными дисперсиями, возникающими за счет образования хелатных комплексов конформационно-жестких мультидентантных алкилполиаминных рецепторов с анионными субстратами. Изучение физико-химических предпосылок образования таких комплексов, а также мицелл и мицеллярных растворов на их основе позволило предположить перспективность перехода к комплексам мультидентантных конформационно-подвижных полиэфирных рецепторов с жесткими координационно ненасыщенными субстратами, например, катионами щелочных металлов. Прогнозируемые последствия этого перехода – возрастание эластичности и прочности оболочек мицелл при росте числа агрегации, что отражается на свойствах мицеллярной дисперсии в виде снижения фильтрации, увеличения электростабильности, термостойкости, времени быстрой релаксации и продолжительности самоэмульгирования. Практическая реализация предлагаемого перехода обеспечивается использованием полиэфирного мицеллообразователя, к молекулярной структуре которого предъявлены следующие требования:

- молекула должна иметь плоскую дискотическую форму, при этом полиэфирные цепи должны располагаться радиально в симметричном окружении алкильных хвостов;

- боковые полиэфирные цепи, взаимодействующие с катионами, должны присутствовать в молекуле в количестве не менее двух и отделяться друг от друга акцепторами водородных связей, связывающими анионы;

- строение молекулы должно обеспечивать образование сэндвичевых комплексов с катионами в виде 2-D супрамолекулярного полимера.

Для получения мицеллообразователя требуемого строения предложено использовать «стратегию шестичленного хозяина», основанную на известной способности высших жирных спиртов ассоциироваться в циклические супрамолекулярные структуры при посредстве концевых водородных связей. Вместо жирных спиртов в качестве тектонов в этих структурах обосновано использование алкиловых моноэфиров олигоэтиленгликолей, для которых ассоциация указанного типа не характерна из-за взаимного отталкивания донорных атомов кислорода. В качестве меры активного противодействия взаимному отталкиванию выбранных тектонов предложена протонная поляризация с туннельным переходом, возникающая при взаимодействии алкиловых моноэфиров олигоэтиленгликолей с ионом Н9О4+, образующимся при добавлении воды. Данная стратегия была успешно реализована, что подтверждено данными ЯМР 13С и 2Н, обработанных с учетом квадрупольного расщепления сигналов протонов тяжелой воды при образовании анизотропных жидкокристаллических фаз. Молекулярная структура синтезированного продукта, получившего наименование СУПРАМОЛ и идентифицированного по ЯМР-спектрам как нематический

 тип дискотической мезофазы, представлена на рис.2(а). Пространственная модель-2

тип дискотической мезофазы, представлена на рис.2(а).

Рис. 2. Пространственная модель супермолекулы СУПРАМОЛ (а) и схема самосборки инвертных мицелл ИМД (б)

С позиций повышения устойчивости хелатных комплексов для образования супрамолекулярного полимера на основе мицеллообразователя СУПРАМОЛ обосновано применение фторидов или хлоридов калия в качестве субстрата.

Предполагаемая схема процесса самосборки супрамолекулярного полимера на межфазной поверхности, приводящей к образованию ИМД, показана на рис.2(б). Процесс самосборки осуществляется в две термодинамически обусловленных стадии. Сначала происходит образование зародышей (нуклеация), а затем рост мицелл (стадия распространения). На первой стадии, продолжительность которой лимитируется внешними условиями и сильно возрастает при перемешивании, технологическая жидкость представляет собой подвижную прямую эмульсию, что позволяет получать значительные объемы однородной дисперсии без применения специального смесительного оборудования, в том числе непосредственно в стволе скважины.

Вторая стадия начинается с обращения фаз со скачкообразным изменением всех технологических параметров и сопровождается последующим их плавным изменением с выходом на определенный квазиравновесный уровень. В соответствии с классической теорией нуклеации, дающей кинетическое описание мицеллярных растворов, конечная точка процесса самосборки может быть выделена только для определенных внешних условий, изменение которых запускает параллельно идущие процессы быстрой и медленной релаксации, сопровождающиеся перестройкой мицелл. Быстрая релаксация сопровождается перераспределением агрегатов по числам агрегации при неизменном числе мицелл, а в ходе медленной, наоборот, устанавливается значение последнего. И то и другое оказывает влияние на технологические свойства ИМД, которые благодаря этому меняются во времени. Характерные времена быстрой и медленной релаксации могут отличаться друг от друга на несколько порядков, поэтому колебания технологических свойств ИМД должны наблюдаться в двух различных временных масштабах.

Во второй главе представлено разработанное методическое обеспечение оценки свойств ИМД, включающее методики обработки и интерпретации вольт-амперных характеристик, исследований реологических свойств, гидравлических расчетов, моделирования циркуляции и показателя фильтрации.



Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.