Сибирский федеральный университет

Тип публикации: отчёт о НИР

Год издания: 2017

Ключевые слова: бурение, фильтрация, смачиваемость, наноэмульсии, наножидкости, нефтеотдача, продуктивный пласт, заводнение керна, кин, тяжелая нефть, кольматация, гидроразрыв

Аннотация: Активный интерес к суспензиям с наночастицами (наножидкостям) появился четверть века тому назад и с тех пор непрерывно растет. Число публикаций, посвященных исследованию свойств и применения наносуспензий, увеличивается экспоненциально. Наночастицы в силу своих малых размеров имеют ряд необычных свойств, которые отсутствуют у макроскопических дисперсных частиц. Необычные свойства наночастиц делают нестандартными и свойства наносуспензий, в которых они являются составной частью. Это обусловило широчайший спектр применения наносуспензий. В технологиях разработки и эксплуатации нефтегазовых месторождений наносуспензии стали применяться существенно позднее. Однако, в настоящее время области применения наносуспензии здесь очень активно исследуются. Современные буровые растворы имеют много различных свойств, на которые в той или иной степени могут влиять добавки наночастиц. ?Целью исследований, выполненных коллективом в этом году, является комплексное и систематическое изучение влияния добавок наночастиц различного размера и состава на реологию, фильтрацию, смазывающую способность и характеристики течения буровых растворов с скважине. За прошедший с начала выполнения проекта период разработаны рецептуры буровых растворов и проведено исследование свойств более чем 40 различных растворов с добавками наночастиц. В итоге получены следующие результаты.??1. Вязкость и реология буровых растворов играют важнейшее значение для их применения, поскольку от них зависят потери давления при промывке скважины, эффективность выноса шлама, устойчивость ствола скважины и многие другие факторы при бурении. ?Проведено экспериментальное изучение вязкости и реологии разработанных буровых растворов с наночастицами. В результате было установлено, что добавка наночастиц в буровые растворы может значительно улучшить их реологические характеристики. Анализ полученных данных позволяет сделать вывод о том, что при низких концентрациях наночастиц реология буровых растворов с наночастицами как правило лучше описывается степенной моделью. Повышение концентрации наночастиц в суспензии приводит к качественному изменению ее реологических свойств. В растворе начинает появляться предельное напряжение сдвига. Таким образом было показано, что с помощью добавок наночастиц можно управлять вязкими и реологическими свойствами буровых растворов. В результате исследования показано, что добавление наночастиц существенно влияет на реологию буровых растворов даже при очень низких концентрациях. При этом было показано, что реологические свойства исследуемых суспензий также значительно зависят не только от концентрации, но и от размера добавляемых наночастиц. С уменьшением размера наночастиц это влияние усиливается. ?Помимо концентрации и размера наночастиц было исследовано влияние материала наночастиц на реологические характеристики буровых растворов. Зависимость вязкости и реологии от размера и материала не свойственна классическим суспензиям микроскопических частиц и является отличительной характеристикой наносуспензий. Таким образом, было установлено, что добавка наночастиц влияет на реологию буровых растворов, в том числе, и с очень высоким содержанием микрочастиц. При этом в отличие от суспензий с макро и микроскопическими размерами частиц реологические параметры наносуспензий зависят от размеров и материала наночастиц, что позволяет управлять свойствами растворов в очень широких пределах. Здесь можно привести такой пример. Было показано что, добавка в буровой раствор 40 масс.% микрочастиц повышает его эффективную вязкость примерно на 30% по сравнению с исходным раствором. При этом добавка всего 0,25 масс.% наночастиц оксида кремния повышает эффективную вязкость бурового раствора более чем в 4 раза!??2. Важнейшей характеристикой буровых растворов является их фильтрационная способность. В процессе бурения нефтяных и газовых скважин буровой раствор может уходить в породу через стенки скважины. Это явление называют фильтрационными потерями. При этом происходит потеря бурового раствора, что увеличивает затраты на строительство скважин. Одновременно с этим, фильтрационные потери бурового раствора в пласт являются одной из основных причин образования трещин и нарушения устойчивости ствола скважины. Для ликвидации этих явлений применяют разнообразные способы упрочнения стенок скважины. Как правило, используют различные дисперсные (1100 мкм) наполнители буровых растворов, которые могут проникать в породу и закупоривать ее. В нашем проекте впервые проведено систематическое экспериментальное исследование влияния концентрации, размеров и материалов наночастиц на фильтрационные свойства буровых растворов. ?В результате было показано что, добавление наночастиц в буровой раствор значительно влияет на величину фильтрационных потерь. Было установлено, что добавка 1-2 масс. % наночастиц позволяет снизить фильтрационные потери раствора в 3 раза для плохо проницаемых кернов с размерами пор 3 мкм. При этом влияние наночастиц зависит не только от их концентрации, но и от размера. Показано, что фильтрационные потери уменьшаются с увеличением концентрации наночастиц и уменьшением их размера. ?При помощи электронной микроскопии удалось обнаружить, что основной причиной снижения фильтрационных потерь при добавке в глинистые растворы наночастиц является снижение проницаемости фильтрационной корки, которая образуется на стенках скважины. Фильтрационная корка буровых растворов состоит из частиц глины и присутствующих в растворе микрочастиц. Добавка наночастиц в буровой раствор приводит к тому, что наночастицы заполняют поры между чешуйками глины и микрочастицами, уменьшая тем самым проницаемость корок на поверхности фильтра. ??3. Еще одной важной характеристикой буровых растворов является их смазывающая способность. Применение растворов с улучшенными антифрикционными свойствами приводит к значительному снижению затрат энергии в процессе строительства скважин.?В этом году проведено систематическое экспериментальное исследование антифрикционных свойств буровых растворов с наночастицами. Изучено влияние концентрации, размера и вида добавляемых наночастиц на коэффициент трения буровых растворов при различных режимах трения. В результате систематических экспериментов было установлено, что добавка наночастиц в буровые растворы может приводить к значительному улучшению их антифрикционных свойств. При этом этот эффект уменьшения коэффициента трения усиливается с уменьшением размера частиц и может достигать 20-35% при очень малых концентрациях.??4. Еще одним серьезным осложнением процесса бурения, связанным с трением, является так называемый прихват бурильной колонны, характеризующийся полным или частичным прекращением движения бурового инструмента. Этот эффект возникает за счёт прилипания буровой трубы к фильтрационной корке, которая образуется на стенках скважины в результате фильтрации. Поэтому при создании новых буровых растворов большое внимание уделяют прихватывающей способности и трению фильтрационной корки.?В этом году проведено исследование влияния добавки наночастиц на коэффициент трения и прихватывающую способность фильтрационных корок. В результате было показано, что при добавлении в буровой раствор стандартной примеси микрочастиц, коэффициент трения фильтрационной корки возрастает в 4,5 раза. Добавка в эти растворы с микрочастицами наночастиц позволила уменьшить значение коэффициента трения фильтрационной корки в более чем в два раза. Таким образом, было установлено, что добавка наночастиц в буровые растворы может приводить к значительному уменьшению коэффициента трения фильтрационной корки и крутящего момента страгивания. Снижение коэффициента трения корки означает, что добавка наночастиц в раствор должна существенным образом способствовать предотвращению прихвата буровой колонны, и уменьшить затраты на простои при бурении, связанные с ликвидацией этого явления. ??5. Проведено расчетное моделирование течений разработанных буровых растворов в скважине с эксцентричным расположением буровой колоны и ее вращением в процессе бурения. Установлено, что добавка наночастиц значительно влияет на перепад давления в скважине, а также на величину сил и моментов сил, действующих на стенки скважины. Было показано, что добавка наночастиц в буровой раствор может значительно повысить потери давления в скважине. Повышение потери давления в скважине за счет введения добавок наночастиц в большинстве случаев имеет отрицательный характер, и обусловлено увеличением эффективной вязкости бурового раствора. С другой стороны с помощью численного моделирования было показано, что добавка наночастиц в буровой раствор существенно сказывается на качестве промывки скважины от шлама. Было продемонстрировано, что двухпроцентная по массе добавка наночастиц в буровой раствор приводит к повышению эффективности выноса шлама на 18%.?Совершенно очевидно, что полученные за это время результаты являются далеко не оптимальными. Наверняка можно подобрать такие параметры наночастиц, при которых эти результаты будут еще выше. Поскольку, в отличие от суспензий с макро и микроскопическими размерами частиц, реологические параметры наносуспензий, величина фильтрационных потерь, смазывающая и прихватывающая способность зависят от размеров и материала наночастиц и изменяются значительно уже при небольших их концентрациях. Это открывает широкую перспективу применения наночастиц для управления характеристиками буровых растворов.?

• Минаков Андрей Викторович

• РИНЦ (eLIBRARY.RU)