Обзор растворов в условиях нестабильности ствола скважины в активных сланцевых формациях

Сланцевые образования часто составляют до 75% от общих интервалов пробуренного в данной скважине, и является основной причиной нестабильности ствола скважины опытных в> 90% случаев [1]. Эти неустойчивости связаны с механическими и физико-химическими взаимодействиями между буровыми растворами и сланцевыми образованиями. Механические взаимодействия являются независимыми от времени явлениями и непосредственно связаны с соответствующим выбором массы бурового раствора [2]. Напротив, физико-химические процессы зависят от времени [3] и связаны с взаимодействием между сланцами и буровые растворы на водной основе (WBM). Они вызывают набухание и уменьшает прочность ствола скважины, вызывая «застрявшую трубку», падением, уменьшением эффективности очистки отверстий и даже потерей скважины. Было проведено большое количество исследований, направленных на проблемы нестабильности, вызванная набуханием сланца. Буровые растворы на нефтяной основе (ОВМ) были первым вариантом, рекомендованным как «определенное» решение избежать нестабильности ствола скважины. Их заявления были выданы ингибирование глины, смазывающая способность, температурная стабильность, устойчивость к загрязнению и защиты от коррозии. Однако, экологические проблемы и нормы, касающиеся ОВМ, привели к их ограниченное применение. В результате многие WBM и неводные жидкости вместе с разными были разработаны типы ингибиторов сланца. Эти ингибиторы (стабилизаторы), которые могут уменьшать или исключать взаимодействие набухания, дисперсии и глины и воды, обычно подразделяются на несколько классов, включая: неорганические соли, формиат калия, полимеры со специфическим сланцевым сродством, асфальты, сахара и производные сахара, гликоли и силикаты [5] . Однако из-за анизометрической и нерегулярной формы глинистых минералов широкое распределение частиц по размерам, различные типы зарядов (постоянный заряд на гранях и зависящие от рН заряды на краях), гетерогенность пластовых зарядов, выраженная катионообменная емкость, дезактивация смектита и гибкости слоев, ни один из этих ингибиторов не был полностью успешным в обеспечении устойчивости ствола скважины. Например, хлорид калия был самым ранним и, возможно, наиболее широко используемым агентом. В сочетании с другими добавками, такими как частично гидролизованный полиакриламид (PHPA), полигликоль и силикаты, эффективное ингибирование достигалось синергетическими эффектами, но его значительная флокуляция в грязи может отрицательно влиять на реологию и контроль фильтрации. Кроме того, для достижения хорошей эффективности ингибирования часто требуется большое количество KCl, которое из-за высокой концентрации хлорида, оставшегося в грязи после взаимодействия с сланцами, может вызвать серьезные экологические проблемы и загрязнения. Катионные полимеры являются еще одной категорией ингибитора и при добавлении к растворам на водной основе могут быть такими же эффективными, как ОВМ. Однако они несовместимы с другими добавками, обычно используемыми для изменения физических и химических характеристик WBM [4]. В результате разработки нового экологически чистого ингибитора сланца или «неизведанного» раствора на водной основе, который может быть столь же эффективным, как и OBM, все еще востребован.приложений при разных обстоятельствах. Цель этой статьи - дать обзор различных аспектов нестабильности ствола скважины, вызванных различными типами сланцев. Разработаны до сих пор различные ингибиторы с их ограничениями, сообщаемыми при различных обстоятельствах. В качестве руководства рекомендуется использовать общую процедуру для выбора подходящего WBM для приложений в разных условиях.

1)Обработка бурового раствора

- Буровые растворы на нефтяной основе (OBM)Проблемы с неустойчивостью ствола скважины, вызванные гидратируемыми, диспергируемыми, и хрупкими сланцами могут быть частично устранены путем замены воды с нефтью в буровом растворе [4]. Фактически, после использования нефтяных растворов (ОВМ), в которых вода эмульгируется в пределах непрерывная масляная фаза, сланцы больше не подвергаются воздействию воды и могут быть, частично полностью, стабилизироваться. Это основная причина, по которой OBM используется для бурения 70% всех реакционно-горючих образований и часто лучший выбор для разведочных скважин и скважин HPHT [5]. Устойчивость сланцев при бурении с ОВМ связана с полярностью и капиллярными эффектами. В самом деле, из-за смачиваемости между поверхностью масла и сланцев, ОВМ должен преодолеть огромное давление, вызванное капиллярным эффектом, который находится в порядка сотен PSI. Таким образом, сланцевая неустойчивость с ОВМ обычно индуцируется из-за недостаточного давления буровых растворов. Следует также отметить, что даже в ОВМ эмульгированная вода все еще может действовать как полупроницаемая мембрана и обеспечивает механизм осмоса путем миграции в сланцы. Эта миграция может не произойти, если уровень солености раствора и сланцевых образований равны[4]. Другой проблемой является выбор соответствующей плотности для ОВМ с механической стабильностью. В общем, тем выше отношение нефти к воде; тем ниже плотность. Но напротив, чем выше отношение нефти к воде, тем выше вязкость была бы. Следует отметить, что, хотя ингибирование пласта можно максимизировать ,но когда используются OBM, у них ограниченные возможности из-за высокой склонность к потере бурового раствора при бурении глубоких вод, , загрязнение шламом, специальная подготовка и эксплуатационные расходы, а также экологические ограничения [5].

2.    Буровые растворы на водной основе.

Обычно принимаются три подхода к смягчению нестабильности проблемы, связанные с взаимодействием между WBM и сланцами. Они включают: 1) ионное ингибирование, 2) инкапсуляцию и 3) физическое соединение [6]. Эти обработки могут использоваться независимо или в сочетании с другими, в зависимости от количества и характера глины в сланце. Обработанная WBM может быть не такой эффективной, как OBM, но может иметь некоторые приложения для смягчения нестабильности сланца. Когда рассматривается какое-либо из вышеуказанных способов обработки, следует соблюдать осторожность чтобы иметь малую твердость и недисперсную жидкость. Хороший твердый контроль, например, помогает поддерживать реологические характеристики бурового раствора, и если пренебречь значительным снижением скорости проникновения то могут возникнуть й

2.1    Ионное ингибирование

Межслойные катионы, которые контролируют дисперсию в решетке глины и её химическую стабильность, являются взаимозаменяемыми. Фактически, ионное ингибирование является эффективным подходом к уменьшению дисперсии глины в WBM посредством обменивая первоначально присутствующие катионов катионами, которые помогают стабилизировать состояние пласта. Степень успеха зависит главным образом от типа и концентрация ингибиторов, но эффект гидратации может не быть полностью исключен [5]. Поверхность глины установит сильные отрицательные поверхностные заряды когда они помещаются в воду. В результате катионы, включенные в грязь адсорбируются на этих поверхностях на основе созданной силы притяжения. Однако рН системы может резко влиять на эти реакции. Калий и аммоний являются наиболее ингибирующими ионами, используемыми для бурения через сланцы [5]. Это в основном из-за их диаметров, которая очень близка к расстоянию между слоями монтмориллониты и иллиты. Катионы калия часто обеспечивают очень хорошую производительность в сланцах с огромным количеством иллитов, поскольку они способны принося иллиту в чистую форму, которая является набухающей глиной. Есть другие ингибиторы ионов, которые используются при различных обстоятельствах, включая соли, формиат четвертичного аммония калия, сахарид производные, сульфированный асфальт, привитые сополимеры, полиоксиалкилен амины, анионные полимеры. Учитывая изменение глины и их сложное поведение, реакция конкретного сланца почти непредсказуема. Таким образом, в разведке бурение, прогнозы будут полностью основаны на геологическом знании области.

2.2    Инкапсулирование

Для лучшего вывода шлама на поверхность применяют инкапсулирование. Они подвергаются значительным силам и нагрузкам в кольцевом пространстве во время циркуляции должны быть быстро развернуты для предотвращения дальнейшей снижение шлама подвергается воздействию бурового раствора на водной основе. Одним из решений является использование длинной цепи полимера, такие как частично гидролизованный полиакриламид (PHPA), который прилипает к поверхности шлама, замедлять впитывание воды и допускает сохранение прежних размеров. Если полимер инкапсулирован успешно, шлам, поступающий через шейкеры, являются прочными и не липкими [7]. Однако применение ограничивается теми сланцами, которые производят от средних до твердых частичек шлама во время бурения. Следует отметить, что для обеспечения эффективности достаточная сумма полимера инкапсулирования должны присутствовать в буровых растворах постоянно.

• 2.3    Физические включения (блокирующие агенты)

3.    Буровой раствор на водной основе

• 3.1    Характеристика образца сланца

• 3.1.1    Рентгенодифракционный метод (XRD)

• 3.1.2    Изучение шлифа

• 3.1.3    Сканирующий электронный микроскоп

Увеличение порового давления вблизи стенок ствола скважины является одним из основных механизмов, приводящих к сланцевому разрушению. Перепад давления между буровым раствором и поровая текучая среда создают отфильтровавшийся из жидкости материал на стенке ствола скважины в проницаемых пластах, что предотвращает дальнейшее проникновение в буровой раствор. Однако сланцы представляют собой почти не проницаемые образования с проницаемостью от 10-6 до 10-12 Дарси. В этом случае отфильтровавшийся из жидкости материал не может быть с использованием давления бурового раствора, приложенного непосредственно к пласту, вызывая медленное проникновение бурового раствора в пласт. Термически активированный полигликоль возможно, лучший вариант в этих условиях. Их молекулы обычно стабильны в буровом растворе при поверхностных условиях. Как только температура проходит критическую точку, полигликоль генерирует гидрофильные и гидрофобные фазы. Температура перехода называется облаком которая может регулироваться конкретными типами полигликоля и корректировки солености грязи. Полученные микрогели достаточно велики для блокирования горловин поры пор и остановки передачи давления. Однако, существует много добавок, которые могут влиять на переход точки облачности. Правильная точка облачности должна быть тщательно спроектирована в и достаточная концентрация гликоля должна присутствовать в буровой раствор. Концентрация гликоля также должна контролироватьсяв поле, поскольку гликоль истощается с течением времени. Асфальтены и гильсонит - это другие варианты блокирования горловых пор сланцев и их микроразрушений. Однако их необходимо объединить с подходящими материалами для уменьшения потерь (LCM) для уменьшения потерь при фильтрации в трещины[11] . Материалы, которые могут быть чисто растворенный в воде, может быть хорошим выбором для обработки хрупких сланцев в этих условиях. Однако, когда ситуация становится серьезной, ни один из этих материалов с физических включений не может быть с единственным оставшимся вариантом является использование OBM.

В этом разделе часто предпринимаются шаги, которые часто характеризуют образование сланцев для подходящей конструкции бурового раствора представлен и подробно обсужден.

Сланцы, встречающиеся в разные промежутки времени во время бурения должны быть охарактеризованы для оценки их степени набухания и дисперсии. В результате, шлам , полости, боковые стенки или сердечники с полным диаметром сланцы исследуются различными методами, чтобы указать их постельные принадлежности, осадочные структуры, цвета, трещины и уровни консолидации а также основные глинистые минералы [11]. Немногие из наиболее известных методов, используемых на этом этапе, представлены ниже.

Рентгенодифракционный метод (XRD) является методом, обычно используемым для идентификации тип минералов, включенных в состав сланца. Аппарат работы, основанные на вращении образца сланца и одновременной бомбардировке это рентгеновскими лучами.

Кристаллическая структура минералов дифрагирует рентгеновский луч со своими идентичными признаками, которые будут обнаружены аппаратом.

В методе анализа тонкого сечения используется специализированный петрографический проходящий световой микроскоп, оборудованный вращающейся ступенью и поляризованным анализатор света для измерения оптических свойств кристаллического материалы. Устанавливается стандартная толщина сланцевого образца толщиной 30 мкм на стеклянном слайде и описательной / качественной информации, включая текстуру, механические опорные конструкции, органические материалы, микроразрывы и поры записываются.

Сканирующий электронный микроскоп обеспечивает высокое разрешение и увеличенное изображение изображения структуры сланца. Это может дать лучший 3-мерный анализ микроразломов и поры по сравнению с проходящим светом микроскоп, используемый для анализа тонкой секции. Сочетание энергодисперсионный рентгеновский флуоресцентный детектор (EDAX) с SEM улучшает результаты, давая химический состав образцов. интеграция SEM и EDAX также помогает охарактеризовать состав, размера и формы пор, минерального содержимого и минерала, вложенных в матрицу выборки.

• 3.2    Физико-химический анализ

• 3.3    Коэффициент реактивности

• 3.3.1    Адсорбция воды

• 3.3.2    Катионообменная емкость

  Катионный обменный потенциал (ЦИК) измеряет сменную катионов на поверхности глины. Как упоминалось ранее, частицы глины имеют отрицательные поверхностные заряды, которые могут быть удовлетворены сменными катионами с положительным поверхностным зарядом, таким как Na +, Ca2 +, Mg2 +, K +. Измерение ЦИК следует за рекомендованным API метиленовым синим (МБ) (API RP 13I, 2009). В этом тесте мелко измельченные кусочки сланцы диспергируются в воде с небольшим количеством диспергатора, серной кислоты и перекиси водорода. Смесь кипятят, охлаждают до комнатной температуры и титровали по каплям с помощью раствора метиленового синего. конечная точка титрования достигается при размещении капли смешанного образца на фильтровальной бумаге, что приводит к слабому синему ореолу, окружающему окрашенные твердые вещества [11]. Затем CEC измеряется в миллиэквиваленте на 100 г глины (мэкв / 100 г), а значения часто составляют> 20 мэкв / 100 г активных глин и 10-20 мэкв / 100 г для умеренно активных глин. Следует напомнить, что CEC типичного смектита составляет от 80 до 120 мэкв / 100 г.

• 3.3.3    Проницаемость

• 3.3.4    ТАМЕ полигликоль

• 3.4    Исследование набухания, диспергирования и твердости

На этом этапе предпринимаются попытки оценить физическую и химическую параметры образцов сланцев, включая их плотность, содержание воды и обменные катионы. Механические испытания, в том числе трехосные сжимающие испытания также проводятся для определения механического поведения и максимальной прочности образцов.

Несколько тестов, включая адсорбцию воды, диэлектрическую проницаемость, метилен синий индекс и время всасывания капилляра выполняются на этом этапе.

Активность воды в сланце может быть измерена с помощью специального ареометра, который измеряет относительную влажность образца.

относительная влажность затем выражается в процентах, для того чтобы дать адсорбцию воды [1]. Существует еще один способ измерения воды адсорбция на основе проводимости, представленная Пежманом и др. (2016)[16]. По их словам, разрешен образец мелкозернистого сланца для уравновешивания в течение определенной продолжительности, когда он помещается в воду затем измеряется количество адсорбции, которое было бы высоким для реактивных сланцев.

Тест капиллярного всасывания (CST) измеряет время, необходимое для получения глины /сланцевую суспензию для перемещения на заданное расстояние. Для испытания требуется 3 г образца сухого сланца на один тест. Флокуляция в результате диспергирования сланца в ингибирующая жидкость уменьшает CST. Как правило, реактивные сланцы с высоким содержанием смектитовой глины имеет высокое значение CST.

Термически активированные грязевые эмульсии (TAME) являются растворами так называемых «полигликолей» в воде. Эти полигликоли представляют собой неионные поверхностно-активные вещества с водоотталкивающими (гидрофобными) и водолюбивыми (гидрофильными) частями [9].

Получив требуемые характеристики сланцев, подходящие добавки выбраны для проектирования WBM [3]. Эти добавки должны ингибируют поверхность глины от гидратации и минимизируют проникновение жидкости в горло пор. Начальные испытания, такие как набухание, дисперсия и объемная твердость вместе со многими другими испытаниями, такими как стабильность, ингибирование и твердое затем проводится толерантность для оценки работоспособности грязи разработан. Эти тесты кратко объясняются в этом разделе.

• 3.4.1    Испытание на набухание

• 3.4.2    Дисперсность

• 3.4.3    Массовая твердость

Испытание на набухание - это обычное испытание, проведенное с использованием тестера линейного набухания. Гранулы сухих сланцев получают сжатием при высоком давлении. Образец гранул затем помещают в камеру, где он подвергается воздействию воды, и ее объемное расширение может контролироваться регулярно. Процент увеличения объема указывает на чувствительность к воде сланцев.

Тест на дисперсию часто называют скрининговым методом для оценивая применения ингибитора сланца в WBM. Тест включает подвергая измеренное количество образцов сланца ингибитору в то время как образец подвергается мягкому перемешиванию с жидкостью в ячейку роликовой печи. Встряхивание в валиковой печи устанавливается в течение 16 ч при 150 ° F. После охлаждения образца до комнатной температуры сито 50 меш используемый для восстановления образца сланца, который далее промывают и сушат при 210 ° F. Высушенный образец повторно взвешивают, чтобы определить процент восстановления. Разница между весом до и после испытания используемого в качестве индикатора диспергирования сланца [10].

Массовая проверка твердости используется для оценки эффективности ингибитора когда он подвергается воздействию активного сланца. Он измеряет твердость после воздействия на жидкость ингибитора. Тест включает в себя прокатывание мелких частиц сланца в жидкости-ингибиторе в течение 16 ч при 150 ° F, извлечение сланцевых кусочков на сито 50 меш и помещение их в объем твердомер. Динамометрический ключ используется для сжатия образцов, обеспечивающих максимальный крутящий момент, необходимый для их сжатия. Твердые сланцы будет иметь высокий показатель крутящего момента, в то время как мягкий сланцы растворяются в воде ,получая низкий показатель крутящего момента. В полигликолях, используемые в составах TAME характеризуется их обратной растворимостью в воде. Они обычно смешиваются с водой при более низких температурах, но при нагревании в конечном итоге разделяются на вторую отчетливую жидкую фазу, поскольку полигликоль становится частично нерастворимым в водной фазе. Температура, с которой это начинает происходить, определяется как «облачная точка» или «температура облачности» (CPT) ». Буровые растворы, основанные на TAME, стабилизируют сланцы с помощью следующих механизмов [8][9]

• -    Ингибирование посредством обмена ионов: с использованием ингибирующих ионов давление набухания между глинистыми тромбоцитами снижается, что приводит к уменьшению тенденций дисперсии.

• -    Ингибирование через гликоль, вытесняющее воду на поверхностях глины: Давление набухания уменьшается, когда вода смещается молекулами гликоля.

• -    Сокращение потока воды в сланцы за счет повышенной вязкости фильтрата бурового раствора: полигликоли TAME в определенной степени загущают фильтрат грязи и, следовательно, замедляют скорость проникновения жидкости и повышение давления на тот же фактор, удлиняя временные масштабы проблем стабильности.

• -    Уменьшение потока воды в сланцы через эффект TAME: благодаря своей способности облака и формированию эмульсии с высокой вязкостью полигликоли TAME могут блокировать поры сланца, тем самым уменьшая проницаемость сланцев и ограничивая инвазию жидкости. Укрощенный буровой раствор выполнен таким образом, что она совпадает с температурой циркуляции забойной (BHCT). Это решение вторгается в сланце под воздействием гидравлических и диффузионных градиентов и испытывает повышение температуры из-за высокой статической температуры забойного отверстия (BHST). Производится фазовое разделение, индуцированное температурой, и образуется эмульсия in-situ, заполняя поры. Возможно,

• 3.5    Тестирование на стабильность

• 3.6    Тест на ингибирование

• 3.7    Допуск твердых частиц

  • 3.7.1    Допуск твердых частиц

• 3.7.2    Тест аккреции

• 4.    Выводы

разделение фаз заставляет полимеры на поверхности глины, покрывать их и изменять их смачиваемость. Полигликоли, осажденные на месте в настоящее время действует как барьер, который ограничивает дальнейшее вторжение жидкости и проникновение бурового раствора под давлением.

Основная цель испытания на передачу порового давления (PPT) который также известен как испытание на стабильность, заключается в оценке стабилизации скважины бурового раствора. Как упоминалось ранее, проникновение порового давления в матрицу сланца, уменьшает поддержку грязи вблизи нестабильность ствола скважины. Эта передача порового давления измеряется в лаборатории путем увеличения давления на ниже по течению от образца сланцевого ядра, чтобы подтолкнуть жидкость к поровому пространству. Любые признаки повышения давления в нижней части основного образца указывает на то, что происходит инвазия жидкости [14].

Этот тест оценивает эффективность ингибирования ингибитора сланца путем измерения выхода глины и реологических изменений WBM. Концепция теста, чтобы имитировать постепенное включение с получением глины в WBMS. Тест определяет максимальное количество бентонита, которое может ингибироваться обработкой ингибитора 8,0 фунта / баррель в течение нескольких дней. Образец выдерживают при 150 ° F в течение 16 часов, реологию измеряют и процедуру повторяют. Добавление бентонита в образец WBM и его старение продолжается до тех пор, пока образец не станет слишком вязким [15]. Несовместимость добавок, таких как осаждение, разделение фаз, изменения рН, цвета или вязкости, может быть исследована путем смешивания и нагрева обрабатывающих жидкостей, включая все добавки, до требуемой температуры. Герметичная сквозная ячейка служит для оценки при высоких температурах

На этом последнем этапе оценивается устойчивая толерантность (загрязнение) и потенциал аккреции, чтобы гарантировать, что подобранный буровой раствор может сохранять свою целостность после загрязнения, не вызывая проблемы с биением при циркуляции. В тестах на твердую устойчивость подобранный буровой раствор с ее ингибиторами сланца подвергается горячей прокатке с различными твердыми загрязняющими веществами, включая гипс, ангидрат, известь или морскую воду, и оценивают ее реологию, вес, рН и контроль фильтрации.

Аккреционный тест исследует склонность к слиянию сланцев, когда они поглощают воду и достигают своих пластических пределов [8]. Этот тест проводится с использованием прокатного стержня, который размещается в центре испытательной ячейки из нержавеющей стали. Испытательная ячейка заполнена буровым раствором и частицами сланца с предварительно взвешенным размером, равномерно распределенными вокруг прокатного стержня. Затем ячейку заполняют тестируемым флюидом, герметично закрывают и помещают в горизонтальное положение в роликовую печь, где он прокатывается в течение определенного периода времени в атмосферном состоянии. После прокатки стержень удаляется, а излишек жидкости на планке тщательно промывается. Аккретированное твердое вещество на планке отбрасывают, сушат при 210 ° F и взвешивают. Затем аккреция рассчитывается по весу глинистого твердого вещества, прилипшего к телу прокатного стержня, и результат выражается в процентах.

В этой работе были предприняты попытки провести всесторонний обзор по различным аспектам взаимодействия раствора на основе сланцевой воды. Были представлены различные виды растворов и представлена их чувствительность к воде. Были выдвинуты некоторые подходы, которые часто предпринимаются отраслью для обработки буровых растворов на водной основе, и их приложения были подчеркнуты, чтобы указать, как и когда они должны использоваться для получения лучшей эффективности бурения. Похоже, что на основе силикатов и буровых растворов на основе TAME-Polyglycol будет являться лучшим выбором для подавления проблем набухания и дисперсии сланцев. Был также представлен ряд испытаний, которые должны быть проведены для оценки проектного раствора на основе воды, используемый для бурения за счет активных сланцевых пластов в конце для тех, кто хочет, чтобы их грязь должным образом оценена до использования в полевых условиях.