УДК 622.243.1; 541,13

ПРИМЕНЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫХ ЭХА-ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ БУРЕНИИ, ИСПЫТАНИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ СКВАЖИН

Г.А. Семеничев, К.У. Мязитов, М.М. Быстров, В.М. Бахир

НПО "ЭКРАН", г. Москва

Влияние электрохимической активации на физико-химические, структурно-механические свойства буровых растворов.

Буровые растворы, рН, электрохимическая обработка, скважина, нефтеотдача.

С ростом глубин скважин и усложнением горногеологических условий бурения повысились требования к промывочным жидкостям. Расширились функции этих полидисперсных, гетерогенных неравновесных систем. Несравненно возросла роль растворов при проведении самых различных технологических операций строительства скважин. Теперь уже промывочная жидкость наряду с обеспечением устойчивости пород и высоких темпов бурения должна удовлетворять оптимальным условиям разобщения, вскрытия и освоения продуктивных пластов, а также должны учитываться экологические требования.

Повышение требования к буровым растворам привели к совершенствованию физико-химических методов управления их технологическими параметрами. Учитывался ассортимент различного рода активных добавок, усложнился состав буровых растворов, резко возросло число рецептур обработок.

На определенном этапе развития буровых растворов известные методы регулирования их свойств, основанные на использовании всё более совершенных и сложных химических соединений, становятся слишком трудоемкими и дорогостоящими. Возникает необходимость в привлечении принципиально новых решений, позволяющих повысить рентабельность физико-химических обработок и обеспечить дальнейшее совершенствование промывки скважин. Таким оригинальным, прогрессивным и эффективным методом является электрохимическая активация (ЭХА) буровых растворов, позволяющая как на стадии приготовления, так и в процессе их использования значительно сократить расход реагентов и упростить рецептурный состав применяемых систем.

Электрохимическая активация производится путем анодной или катодной (униполярной) обработки жидкости в электрохимическом реакторе, который в общем случае представляет собой разновидность диафрагменного электролизера с нерасходными электродами, то есть такими, которые при протекании тока обмениваются с жидкостью только электронами.

Диафрагма в виде пористой диэлектрической перегороди между электродами препятствует перемешиванию объемов анолита и католита, т.е. анодно и катодно обрабатываемой жидкости. Таким образом обеспечивается униполярность электрохимического воздействия: обработка жидкости только у одного из электродов электрохимической системы.

Для используемых в буровой практике органических реагентов-понизителей водоотдачи и разжижителей оптимальные значения рН должны составлять 8,5-9,0. В некоторых случаях при использовании специальных ингибирующих породу систем требуется сравнительно высокая щелочность среды. Так, рН лигносульфатных, известковых, алюминатных и силикатных буровых растворов должен составлять 10-11.

Повышение значений рН буровых растворов, как правило, обеспечивается добавками каустической соды. Однако этот метод имеет серьезные недостатки. Постоянные обработки промывочной жидкости каустической содой снижают устойчивость глинистой породы и разрушают её. Они вызывают наработку мелкодисперсного шлама, ухудшающего реологические свойства бурового раствора. Значительные расходы каустической соды повышают затраты на бурение скважины. Работа со щелочью требует специальных мер безопасности для обслуживающего персонала.

Весьма перспективным оказался метод повышения активности и продолжительности действия органических реагентов путем униполярной обработки бурового раствора. Проведенные исследования установили возможность регулирования значения окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) и рН промывочной жидкости в необходимых для интенсификации физико-химических обработок пределах. Полученные результаты убедительно свидетельствуют, что при определенных значениях этих показателей обеспечивается требуемая активация используемых органических реагентов и достигается более высокая эффективность их действия, чем при применении каустической соды. Объясняется это тем, что ЭХА бурового раствора, являясь неравновесным, направленным процессом возбуждения молекул среды, вызывает активацию всех восстановительных и дезактивацию всех окислительных компонентов бурового раствора, включая ионы водорода и гидроксила, от соотношения концентрации которых зависит рН среды.

Изменение активности ионов ОН- и Н+ под действием ЭХА способно вызвать изменение рН среды при сохранении исходных концентраций этих ионов в растворе. Следует поэтому разделять понятия активационного и концентрационного изменения окислительно-восстановительных свойств среды и её водородного показателя, ибо в основе их лежат различные энергетические закономерности взаимодействия заряженных частиц в растворах.

Механизм воздействия электрохимической активации на физико-химические свойства буровых растворов совершенно не похожи на известные процессы, протекающие при его химической обработке. Эти различия обусловлены наличием в буровом растворе после униполярного электрохимического воздействия некомпенсированных электрических зарядов, определяющих интенсивность окислительно-восстановительных реакций в двойном электрическом слое, окружающем ионы и молекулы химических реагентов в растворе. От скорости и направления этих реакций зависят и реакционная способность функциональных групп химических реагентов и устойчивость к внешним воздействиям (температуре, минерализации) молекул этих высокомолекулярных соединений.

Ярким подтверждением сказанного является, например, факт полуторакратного увеличения расхода КМЦ-500 для обработки глинистой суспензии с целью снижения её водоотдачи до 5 см³/30 мин при рН=7, по сравнению с аналогичной суспензией, имеющей рН=9 /1/.

Активированное состояние бурового раствора позволяет целенаправленно осуществлять целый ряд физико-химических воздействий между частицами и фазами самого раствора, а также между буровым раствором и окружающей средой (породами разреза) для обеспечения целостности стенок скважины и создания наиболее оптимальных условий работы химических реагентов-стабилизаторов в буровом растворе.

Электрообработка бурового раствора особенно эффективна перед вводом в него порошковых (сухих) препаратов. В этом случае достигаются ускорение растворения реагентов и значительное повышение эффективности их действия.

Методы электрохимического воздействия позволяют существенно усовершенствовать способы получения ряда специальных рецептур буровых растворов. Так, например, ввод КОН в хлоркалиевый раствор и NaOH в алюминизированный можно исключить в результате ЭХА бурового раствора. Необходимый предел рН буровых растворов при этом составляет 8,5-9,0.

Уменьшение содержания, а при необходимости, удаление агрессивных ионов магния и кальция производятся вводом кальцинированной соды. Расход этого реагента можно сократить или даже полностью исключить электрохимической обработкой. Повышение рН раствора до 9,5-10,0 и ОВП от -400 до -600 мВ позволяет полностью связать ионы магния, переводя их в осадок, представленный в основном из Mq(OH)₂ и MqCO₃. Для удаления ионов кальция требуются значения рН=12¸ 13 и ОВП= -800 - 860 мВ. При этом образуется осадок, главным образом, состоящий из Ca(OH)₂ и CaCO₃. Снижение рН и ОВП до значений: 10¸ 11, -700 до -800 мВ не обеспечивает полностью перевода Ca²⁺ в гидроксид, однако при этом в 2-3 раза сокращается содержание этих ионов в буровом растворе.

Электрохимическая обработка позволяет повысить структурно-механические показатели бурового раствора, исключая при этом дополнительный ввод глинопорошка и реагентов-структурообразователей.

Исследования показали, что при электрохимической обработке возрастает забойная водоотдача бурового раствора. Однако было установлено, что в затрубном пространстве при контакте с породой ствола скважины она снижается до первоначальных значений, а в ряде случаев и до более низких. Это явление объясняется следующим образом. Под влиянием катодной электрообработки буровой раствор приобретает ОВП равный от -400 до -800 мВ. При этом повышается заряд частиц при той же или возрастающей стабильности системы и резко увеличивается подвижность молекул воды на границе раздела фаз с различными ОВП.

Породы, слагающие ствол скважины имеют положительный ОВП, в среднем он составляет 250 мВ. Поэтому при первом контакте раствора и породы на забое происходит её быстрое смачивание. В результате прочность разбуриваемой породы снижается намного быстрее, чем при контакте с раствором, не подвергшемся электрообработке.

Длительный контакт заряженного бурового раствора с породой стенок скважины в статических условиях приводит к образованию фильтрационной корки повышенной плотности за счет её электрофоретического уплотнения на расстоянии от 0 до 10-15 мм от стенок скважины, в глубь породы. Этим обусловливается снижение реальной водоотдачи раствора в скважине и укрепление её стенок.

Основное влияние на фильтрационную способность бурового раствора, вне зависимости от температуры, давления, скорости потока, разности потенциалов между фазами и объемами системы, величинами их минерализации и т.д. оказывает проницаемость фильтрационной корки. А проницаемость фильтрационной корки, как в процессе её формирования, так и последующего существования, при постоянном перепаде давления зависит, в первую очередь, от концентрации и вида веществ, образующих корку, а во-вторых, от разности потенциалов между фильтрующей и фильтрующейся средами. все остальные факторы (давление, температура, скорость потока) оказывают несравненно меньшее влияние на проницаемость фильтрационной корки, чем два вышеназванные. Если разность потенциалов между фильтрующим элементом и фильтрующейся жидкостью отсутствует, то проницаемость фильтрационной корки определяется в основном только концентрацией, видом и состоянием веществ, образующих корку, т.е. первым фактором.

В реальных условиях бурения между породой, слагающей стенки скважины и буровым раствором всегда существует разность потенциалов. Причем, её величина определяется не разностью потенциалов характеризующих диффузионно-адсорбционную активность горных пород и фиксируемых на кривых ПС при геофизических исследованиях, а разность ОВП ( по аналогии с гальваническим элементом ) бурового раствора и пласта, не загрязненного фильтратом раствора.

Благодаря именно этой разности потенциалов через границу "скважина-пласт" протекает электрический ток, величина которого прямо пропорциональна величине разности ОВП скважины и пласта, происходит изменение проницаемости фильтрационной корки бурового раствора. Величина изменения проницаемости фильтрационной корки под действием разности потенциалов, изменяющейся от 0 до 1000 мВ может для буровых растворов на водной основе составлять 800-1000%, т.е. обусловливать 8-10 кратные изменения водоотдачи бурового раствора.

Увеличение водоотдачи бурового раствора на забое при последующем уменьшении её против породы стенок скважины представляет практический интерес, так как при этом растет механическая скорость бурения без снижения устойчивости ствола скважины.

Обычно для вытеснения нефти из продуктивного пласта в него закачивают водо-нефтяную эмульсию, играющую роль поршня. Эмульсию получают смешиванием воды и нефти в присутствии эмульгатора. На количество нефти, извлеченное из пласта, влияют физико-химические и физико-механические свойства эмульсии. Значительно улучшить их, повысив тем самым нефтеотдачу на 5-7% при одновременном исключении эмульгатора и снижении времени процесса на 10-15%, можно при применении технологии получения стойких водонефтяных эмульсий на анолите приготовленном с помощью ЭХА технологии /2/.

ОВП нефти, находящейся в состоянии термодинамического равновесия с окружающей средой, обычно находится в пределах 150-350 мВ и ОВП большинства типов природных вод находится в пределах, не очень сильно отличающихся от указанных для нефти. Поэтому вытеснение нефти водой, не подвергнутой какой-либо физической или химической обработке неэффективно, поскольку коэффициент поверхностного натяжения на межфазной границе имеет в этом случае максимальное значение. Добавление в воду щелочи позволяет уменьшить её ОВП до 50-0 мВ и обеспечить значительное снижение поверхностного натяжения.

Электрохимическая активация рабочего агента позволяет в гораздо более широких пределах изменить его ОВП (от -860 до +1300 мВ) и обеспечить тем самым наибольшее среди всех известных методов уменьшение коэффициента поверхностного натяжения. Причем основным достоинством ЭХА, в отличие от всех известных, является активация рабочего агента без существенного изменения его химического состава, что позволяет использовать для вытеснения пластовую воду и вообще благоприятно сказывается на постоянстве физико-химических и коллекторских свойствах продуктивных пластов.

При воздействии на пласт активированной воды значительно снижается поверхностное натяжение на границах "нефть-порода" и "нефть-вода". Такое снижение на границе "нефть-вода" с 25-30 дин/см до 0,01-0,001 дин/см позволяет создавать мелкодисперсные эмульсии типа "нефть в воде", которые способны двигаться по плотным, малопроницаемым породам нефтяного пласта. Это явление способствует повышению приемистости нагнетательных скважин. При закачке в нефтеносный пласт активированной воды происходит изменение смачиваемости порода от гидрофобной к гидрофильной. Эмульгирование нефти в гидрофильном пласте увеличивает её подвижность и уменьшает подвижность воды.

Повышение эффективности процесса разработки и увеличение нефтеотдачи пласта достигается также за счет снижения поверхностного натяжения на границе "порода-нефть", которое способствует отрыву капелек нефти с поверхности породы, а за счет эффекта на границе "нефть-вода" образуются мелкодисперсные системы. Улучшение смачиваемости породы за счет её гидрофилизации под действием активированной воды, а также эмульгирование нефти на фронте вытеснения помогает повышенному по сравнению с обычной водой вытеснению нефти из пласта и охвату пласта процессом вытеснения, за счет чего повышается важнейший показатель разработки - нефтеотдача пласта. Следует отметить, что значительно больший эффект можно получить при заводнении электрохимически активированной водой на нефтяных залежах содержащих нефть малой и средней вязкости.

Опыт применения растворов ПАА для увеличения нефтеотдачи пластов показывает, что для повышения эффективности полимерного заводнения необходимо разработать специальные меры по стабилизации ПАА от деструктивных процессов. Одним из видов деструкции, снижающей эффективность применения ПАА, является микробиологическая деструкция, которая протекает под действием биоценоза микроорганизмов, содержащихся в закачиваемых нефтепромысловых водах, призабойных зонах скважин и промытых участках продуктивного пласта.

Согласно опубликованным данным /3-5/ наиболее активными микроорганизмами в биоценозе пластовых вод по отношению к ПАА являются углеводородокисляющие (УОБ), сульфатвосстанавливающие (СВБ), денитрифицирующие (ДНБ) и тесновокислые (ТБ) бактерии. Специальные исследования проведенные по оценке биостойкости полимера в условиях Новохазинской площади Арланского месторождения показали наличие микроорганизмов: УОБ- от сотен до миллионов клеток/см³, СВБ - от единиц до сотен тысяч; ДНБ - от десятков тысяч до миллионов; ТБ - от единиц до десятков тысяч /6/. Общее количество гетеротрофных бактерий (ГТБ), растущих в пептонной воде, достигает 10⁹ клеток/мл. Применение азотсодержащего бактерицида марки ЛПЭ-11 позволяет до 70-95% предотвращать биологическую, механическую и термоокислительную деструкцию ПАА.

Проведенные исследования /7/ показали реальную возможность использования в качестве бактерицида для подавления СВБ и ГТБ раствора анолита, получаемого на установках типа СТЭЛ. Данные растворы отличаются высокой экологической чистотой и эффективностью, низкой себестоимостью и возможностью получения их непосредственно в промысловых условиях.