Буровой раствор: разбираемся в компонентах
В состав бурового раствора входит множество различных компонентов. Именно от них зависит, как раствор будет выполнять свои задачи. Поэтому подбор правильного сырья, реагентов здесь приобретает первостепенное значение. Какие компоненты для буровых растворов востребованы на месторождениях в наши дни? И как этот рынок пережил санкции и уход западных компаний?
Буровые растворы: «из грязи в князи»
Буровые растворы, которые применяют на современных нефтегазовых месторождениях, — это высокотехнологичные продукты, куда входят множество разнообразных компонентов. Однако так было не всегда. «Дедушкой» современных растворов была обычная грязь. Понятно, что этот материал не отличался высокими эксплуатационными характеристиками.
«Практическим препятствием являлся процесс самозагущения буровой грязи, что влекло за собой снижение скорости бурения вплоть до прекращения работ. Технология промывки была предельно простой: загущённую грязь разжижали водой, а в случае избыточного разжижения использовали грязь из земляного амбара.
Было отмечено нежелательное появление на стенках скважины толстой корки, способствующей налипанию глинистых частиц на рабочие части бурильного инструмента (сальникообразование). Другим осложняющим фактором являлось недостаточное противодавление грязевого раствора при бурении газовых пластов, что вело к появлению выбросов и открытых фонтанов.
Только в 1914 г. были предложены рекомендации по заливке ствола скважины глинистым раствором до устья», — пишут в своей статье «Появление, развитие и совершенствование различных типов буровых растворов в мировой и отечественной практике» Ирина Четвертнева, Галина Тептерева, Светлана Шавшукова, Василий Конесев.
Понятно, что с тех времён прогресс ушёл далеко вперед. Сначала американские, а потом и советские учёные разработали большое количество типов буровых растворов. Долгое время основным сырьём для их изготовления была глина, а уже во второй половине ХХ века для этих целей начали использовать гипс.
«Буровой гипс — это основной компонент бурового раствора, выступающий в качестве ингибитора набухания и диспергирования глинистых пород. Сырьём для его производства является природный гипсовый камень (двуводный гипс CaSO4*2H2O). Основным требованием к сырью для производства бурового гипса является процентное содержание CaSO4.
Его значение должно быть более 90%. В этом случае на выходе мы сможем получить высококачественный продукт с минимальным содержанием инертных примесей», — рассказывает руководитель центра технологий применения продуктов ЗАО «Самарский гипсовый комбинат» (SAMARAGIPS) Юрий Медведев.
Нужно подчеркнуть, что этот материал используют не в чистом виде. Как отмечает коллектив авторов статьи «Появление, развитие и совершенствование различных типов буровых растворов
в мировой и отечественной практике», особенностью гипсовых растворов являются высокие предельные статические и динамические напряжения сдвига, что снижает их эксплуатационные возможности.
Прорыв произошёл в 1953 году, когда для его разжижения начали применять обработку феррохромлигносульфонатом («Q-Броксин»). В результате гипсовые растворы быстро получили широкую популярность. Прогресс не остановился и в наши дни.
«Безусловно, с 1953 года произошло немало изменений. В технологии производства это, прежде всего, применение более совершенной техники и методов. Более жёсткими стали требования к сырью. Наконец, реализованы современные методы определения технических показателей при испытаниях готового продукта», — перечисляет Юрий Медведев.
Базовые свойства растворов на глиняной и гипсовой основе обуславливают их достоинства и недостатки. С одной стороны, они обладают своего рода «запечатывающими» свойствами, что препятствует «утечкам» раствора в проницаемые пласты. С другой, этот же фактор может негативно сказаться на продуктивности скважины. Сами производители бурового гипса считают эти страхи преувеличенными.
«Все мы знаем, что если гипс затворить водой, то он начинает схватываться и твердеть, возможно, эта информация позволяет сделать вывод о том, что гипс может влиять на снижение проницаемости пласта. Но тут необходимо добавить, что содержание бурового гипса в данных составах не превышает 10 кг на 1 м3 бурового раствора. Такое количество не способно приводить к образованию непроницаемой корки на стенке скважины», — убеждён представитель ЗАО «Самарский гипсовый комбинат».
В этом году гипсовым растворам исполняется 70 лет, глину при бурении нефтегазовых скважин используют ещё дольше. Но, несмотря на солидный возраст, этот материал по-прежнему в ходу. А в некоторых случаях его использование представляется даже необходимым.
«Гипс и глину, а точнее бентонит, могут использовать как в отдельных вариациях, так и совместно. Гипс активно применяют в гипсовых или гипсоизвестковых буровых растворах, которые используются при бурении пластичных интервалов, состоящих из набухающих (расширяющихся) пород.
Если применять другой (не содержащий в своем составе ионы Ca) буровой раствор, то может происходить расширение горных пород, которое приведёт к потере устойчивости ствола скважины и её обрушению.
Ионы Са, которые содержатся в гипсе в большом количестве, вступают в химическую реакцию с расширяющимися породами, и в результате этой работы мы получаем отсутствие набухания и расширения и, как следствие, устойчивый ствол скважины без его обвалов и разрушения», — объясняет Юрий Медведев.
Будущее за растворами на углеводородной основе?
В 1945 году в США впервые использовали раствор на углеводородной основе. Поэтому в рамках наиболее общей классификации их разделяют на растворы на водной основе (РВО) и на углеводородной основе (РУО). В последнем случае в качестве основы используются различные виды минеральных масел, производимых из нефти. Сейчас на российском рынке представлены оба варианта, но при этом наметилась тенденция роста популярности РУО.
«В последние 5-7 лет доля растворов на углеводородной основе заметно выросла. Я думаю, это связано с усложнением конструкции скважин, увеличением длины горизонтальных участков, уплотнением сетки скважин на площадях, находящихся на поздней стадии эксплуатации, разработкой новых залежей со специфическими геологическими условиями. Буровые растворы на водной основе можно сравнить с двигателем внутреннего сгорания.
Его можно усовершенствовать, повышать КПД, но он останется тем же двигателем. А растворы на углеводородной основе — это как реактивный двигатель. И в сложных условиях мы должны быть уверены, что быстро и безаварийно пробурим скважину и недропользователь начнёт добывать нефть.
Встречались случаи, когда наш заказчик изначально выбирал более дешёвый раствор на водной основе, но, получив трудно решаемые проблемы с бурением, аварии, в дальнейшем переходил на РУО», — объясняет главный технолог департамента буровых растворов «Инновационной сервисной компании «ПетроИнжиниринг» Владимир Клеттер.
Понятно, что идеала не существует, и у РУО тоже есть свои недостатки, помимо высокой цены (в 5-8 раз дороже РВО). Главная проблема — вред окружающей среде, который наносят растворы на углеводородной основе и отходы от их использования. К сожалению, полностью решить эту задачу вряд ли удастся, но вот минимизировать ущерб вполне реально.
«В соответствии с федеральным законодательством шлам после бурения с использованием РУО относится к третьему классу опасности, поэтому в большинстве случаев недропользователи для кратного сокращения стоимости утилизации шлама, используют вертикальные центрифугирующие осушающие установки (УМОШ).
В результате интенсивного вращения центрифуги создаётся центростремительное ускорение до 400 G, значительная часть самого экологически опасного компонента РУО — масла — «отжимается», и шлам обезвоживается практически до состояния песка с содержанием углеводородов до 3-5 масс.%.
Обезвоженный шлам относится уже к четвёртому классу опасности — умеренно опасному. К слову, шлам после бурения на большинстве буровых растворов на водной основе имеет тот же класс опасности.Сейчас эти технологии обезвреживания шлама с использованием УМОШ стали повседневной практикой. При бурении на шельфе российские и зарубежные компании широко применяют промывочные жидкости на синтетической основе, то есть используют масло, практически не содержащее ароматических соединений, являющихся одними из наиболее вредных видов углеводородов.
Такое масло условно считается биоразлагаемым в морской воде. Это важно, так как всегда, даже при самой надёжной системе безопасности на буровых платформах, сохраняется риск, что буровой раствор попадёт в окружающее море», — перечисляет Владимир Клеттер.
Наконец, надо учитывать, что РУО, в отличие от растворов на водной основе, можно использовать многократно, они не подвержены ферментативной деструкции. Можно сказать, что с точки зрения экологии это тоже плюс.
Итак, растворы на углеводородной основе практически наверняка будут и дальше наращивать свою популярность. Но даже адепты РУО не предполагают, что они уже в ближайшие годы полностью захватят рынок. Буровые компании будут продолжать использовать недорогие растворы на водной основе там, где это позволяют геолого-технические условия.
Импортозамещение: подводим первые итоги
Если посмотреть на хронику открытий (см. Таблицу 1), то можно заметить, что советские учёные, наряду с коллегами из США, были теми, кто двигал прогресс в части развития технологий буровых растворов. Неудивительно, что в СССР сложилась мощная индустрия по их производству.
Ситуация изменилась в 1990-е годы: ведущие позиции на внутреннем рынке захватили импортные производители. Встаёт логичный вопрос: как отрасль пережила санкции и уход западных компаний? Столкнулись ли российские нефтесервисные компании с дефицитом компонентов для буровых растворов?
Пока можно констатировать, что санкции, безусловно, сказались на отрасли, но неравномерно, если смотреть в разрезе отдельных компаний.
«На нашу компанию эта перестройка рынка практически не повлияла. Можно вспомнить только несколько месяцев 2022 года, когда в принципе были сложности с любыми зарубежными поставками. Но в целом в нашем пуле поставщиков не было компаний из США, ЕС или других недружественных стран. Мы в основном работали и работаем с Китаем, Индией, Ираном, Узбекистаном.
Сейчас логистические цепочки практически восстановились, хоть всё стало дороже и увеличилась продолжительность перевозок, но в целом поставки сохранились», — прокомментировал ситуацию директор департамента буровых растворов «Инновационной сервисной компании «ПетроИнжиниринг» Максим Уразметов.
«Мы производители только одного компонента бурового раствора. Нужно понимать, что гипсовые буровые растворы занимают свою нишу применения и используются в строго определённых скважинных условиях. Поэтому какого-то дополнительного внимания к себе после санкций мы не ощутили», — добавил Юрий Медведев.
Больше всего пострадали компании, которые делали ставку на западных производителей. Однако и они далеки от отчаяния. Нужно понимать, что номенклатура реагентов для буровых растворов достаточно обширна и насчитывает более 70 наименований. При этом отечественные производители готовы закрывать большую часть потребностей.
За последние несколько лет количество реагентов, у которых есть отечественные аналоги, значительно увеличилось. Нюанс в том, что при строительстве наиболее сложных и нестандартных скважин использовались как раз дорогие импортные реагенты. Вообще, ситуация может отличаться в каждом конкретном случае.
«Если реагент в большом количестве производят в России, мы можем управлять качеством, задавать свои требования и получать хорошую цену. Но бывает, что поставщиком является компания-монополист, которая может пересмотреть стоимость в любой момент. Например, каустическую соду производят сразу несколько крупных российских компаний, но из-за конъюнктуры рынка в этом году произошло скачкообразное повышение цен.
Однако мы можем закупать аналогичную по составу продукцию в дружественных странах, и она получается дешевле, чем у отечественных производителей. В каких-то случаях есть российские аналоги импортных реагентов, но они в большей или меньшей степени уступают по качеству зарубежным.
А такой реагент, как ксантановая смола, в РФ вообще не производится в промышленных масштабах, и здесь мы полностью зависим от нескольких китайских заводов и трейдеров. Они тоже диктуют цену рынку и в любой момент могут её увеличить. И плюс, если это импортный компонент, все мы привязаны к курсу доллара», — рассказывает Максим Уразметов.
В целом уход западных поставщиков компонентов для буровых растворов сказался на отрасли не так сильно, как ожидалось. Однако российским производителям рано расслабляться, им предстоит решить задачи по разработке собственных высокотехнологичных химических реагентов.
Понятно, что для этого нужны время и деньги, пока же российские сервисные компании закрывают свои потребности в числе прочего за счёт поставок из дружественных стран. И здесь главная проблема скорее не сами санкции, а их последствия: трудности с логистикой и подросший курс доллара.
Впрочем, важно не забывать, что одним из самых главных факторов успешного строительства скважин является человеческий.
«Несмотря на то, что мы имеем подробное техническое задание от недропользователя, стандартный набор компонентов и рецептур промывочных жидкостей, качество приготовленного бурового раствора, рациональный расход химических реагентов и в конечном итоге стоимость скважины зависят от профессионализма, опыта и мотивации полевых инженеров» — заключил Владимир Клеттер.
| Год | Предложенные химические реагенты, материалы и системы буровых растворов | Автор, место применения |
|---|---|---|
| 1914 | Использование для приготовления раствора, глинистого раствора | А. Хеггем и Д. Поллард, месторождения Техаса, США |
| 1920 | Использование бентонитовых глин и бентонитовых глин с окисью магния | Х. Кросс и Г. Харт, месторождения Техаса, США |
| 1921 | Утяжеление глинистых растворов окислами железа | Б. Строуд, газовые месторождения Южного Арканзаса и Северной Луизианы, США |
| 1922 | Утяжеление глинистых растворов баритом | Б. Строуд, газовые месторождения Южного Арканзаса и Северной Луизианы, США |
| 1930 | Применение естественных танинов для регулирования вязкости и структурных свойств раствора | К. Люмис и Дж. Амброз, США |
| 1933 | Разработан реагент — карбоксиметилцеллюлоза | К. Ф. Жигач, И. М. Тимохин, В. Д. Городнов, Россия |
| 1933 | Разработан реагент конденсирования — сульфит-спиртовая барда (КСББ) | В. С. Баранов, З. П. Букс, Россия |
| 1934 | Применение углещелочного реагента (УЩР) | В. С Баранов, З. П. Букс |
| 1935 | Применение силикатно-натриевого раствора | Техас и Луизиана (побережье Мексиканского залива) |
| 1936 | Использование аттапульгитовых глин в минерализованных растворах | Пермский бассейн Западного Техаса, США |
| 1937 | Применение крахмала | США |
| 1943 | Применение известковых растворов | Восточный Техас, США |
| 1944 | Синтезирована и применена в бурении карбоксиметилцеллюлоза | Э. Янсен, США |
| 1947 | Применение известковых глинистых растворов | Волгоградская область, Северный Кавказ, Россия |
| 1945 | Применение раствора на нефтяной основе | П. Рельхаузен и Т. Бишкин, США |
| 1950 | Разработан раствор на нефтяной основе, содержащий окисленный битум и мыла | Доусон и Гусман, США |
| 1953 | Применение гипсовых растворов | Г. Гаррис, район Уиллистона, США |
| 1955 | Разработана рецептура лигносульфатного раствора | К. Люмис и Дж. Амброз, США |
| 1955 | Использование поверхностно-активных веществ (ПАВ) | США |
| 1960 | Применение хлористого калия | Р. Д. Тайлер, площадь Сьерро-Пеладо, Венесуэла |
| 1961 | Применение акриловых полимеров — гипана | ВНИИБТ, Россия |
| 1969 | Применение гидролизованного на 30% полиакриламида и хлористого калия | «Шелл», месторождения Западной Канады |
| 1971 | Применение олимера ХС (ксантовой смолы) и хлористого калия | «Имериал Ойл», дельта р. Маккензи, север Канады |
Максим Уразметов, директор департамента буровых растворов ООО «Инновационная сервисная компания «ПетроИнжиниринг»
«В каждом конкретном случае тип используемого бурового раствора определяется отдельно. Как правило, это делает сам заказчик.
Для этого в структуре крупных нефтегазовых компаний: «Роснефть», «ЛУКОЙЛ», «Газпром нефть», «НОВАТЭК» — есть подведомственные НИПИ, которые на основе аккумулированного опыта бурения и геологической информации разрабатывают проекты на строительство скважин, определяют тип и состав промывочных жидкостей.
Наша же компания определяет непосредственно составляющие раствора. Критерии качества всех применяемых компонентов определены стандартами ISO, ГОСТ, СТО, ТУ, а также нашими собственными методиками контроля. Все реагенты для буровых растворов, имеющиеся на российском, зарубежном рынке, мы оцениваем по шкале «цена/качество» с учетом результатов лабораторных испытаний, доступности, контрактных условий доставки».
Юрий Медведев, руководитель центра технологий применения продуктов SAMARAGIPS (ЗАО «Самарский гипсовый комбинат»)
«Современный буровой раствор — это сложная многокомпонентная система, состоящая из различных модифицирующих добавок, необходимых для решения определённых задач.
Например, широко используются структурообразователи, регуляторы реологии, понизители фильтрации, смазывающие добавки, пеногасители, регуляторы pH и ингибиторы набухания и диспергирования глинистых пород и многое другое».
К слову
Впервые метод непрерывной очистки скважин при бурении предложил в 1846 году французский инженер М. Фовелль. До этого выбуренную породу удаляли с помощью специальных устройств — желонок.
Текст: Андрей Халбашкеев
