Płuczki wiertnicze stosowane przez PSPW do wierceń i dowiercania złóż

Wstęp

Z szerokiej gamy płuczek wiertniczych na osnowie wodnej oferowanych przez PSPW w ostatnim dziesięcioleciu praktycznie powszechne zastosowanie znalazły polimerowo- potasowe (Stabpol System), płuczki solne (solno- skrobiowa) oraz płuczka do dowiercania złóż w warstwach porowatych (X-drill System). Płuczka polimerowo- potasowa początkowo stosowana była głównie do przewiercania silnie pofałdowanych karpackich utworów ilasto- łupkowych, ale z czasem stała się podstawowym typem płuczki do przewiercania interwałów, w których występują warstwy ilasto- łupkowe i mułowcowe z tendencją do zaciskania otworu, obsypywania i kawernowania ścian. Prowadzone próby zastosowania płuczek kationowych, glikolowych czy krzemianowych nie przyniosły istotnych efektów techniczno- ekonomicznych w porównaniu z płuczką polimerowo- potasową i dlatego w polskich warunkach geologicznych nie znajdują te typy płuczek szerszego zastosowania.

Do przewiercania utworów cechsztynu na Niżu Polskim zawierającego utwory solne o miąższości od kilkuset do 2-3 tys. metrów stosowane są płuczki solne o gęstościach sięgających nawet niekiedy 2,30 g/cm3. W zależności od temperatury, występowania soli magnezowych i H2S stosowane są różne modyfikacje płuczki solno-skrobiowej. Podczas dowiercania złóż ropy i gazu występujących w skałach porowatych (piaskowco-wych) od kilku lat z powodzeniem PSPW stosuje płuczkę beziłową z blokatorem węglanowym i organicznym (X-drill System). Płuczki tego typu stosuje się zarówno przy dowiercaniu złóż otworami pionowymi jak i poziomymi. Płuczki tego typu były i są stosowane do dowiercania złóż we wszystkich rejonach Polski, na Morzu Bałtyckim oraz w rejonie Kaliningradu zapewniając bardzo wysoki stopień ochrony przepuszczalności strefy przyodwiertowej.

Płuczka polimerowo- potasowa (Stabpol System)

Płuczka polimerowa «Stabpol System» stosowana jest do przewiercania kompleksów warstw ilasto- łupkowych, zwłaszcza w trudnych warunkach geologicznych. Płuczka ta łączy w sobie zalety płuczki potasowej i wielkocząsteczkowych polimerów syntetycznych, dzięki czemu płuczka ta posiada system podwójnego inhibitowania jonowo- polimerowego. Jony K+ wnikają między pakiety minerałów ilastych i wypierają z nich jony Na+ . Powoduje to, że minerały ilaste wchodzące w skład skał łupkowych w znacznie mniejszym stopniu ulegają pęcznieniu, dzięki czemu zmniejsza się tendencja do zaciskania otworu i przechwytywania przewodu wiertniczego. Polimer syntetyczny działa w ten sposób, że anionowe makrocząsteczki polimeru łączą się wiązaniami jonowymi (elektrostatycznymi) z dodatnio naładowanymi krawędziami elementarnych płytek (cząstek) odsłoniętej skały ilastej. Powstaje w ten sposób na ścianie otworu film polimerowy stanowiący barierę dla migracji filtratu z płuczki do skały. Zjawisko powstawania na ścianie otworu i zwiercinach skał ilastych powłoki polimerowej nazwano «kapsułowaniem», a polimery zdolne do wytwarzania takiej powłoki- polimerami kapsułującymi i jest to na ogół częściowo hydrolizowany poliakryloamid (PHPA). Ponadto zastosowanie odpowiedniego polimeru kapsułującego znacznie poprawia własności smarne płuczek i wpływa na obniżenie i stabilizację filtracji płuczek wiertniczych.

Opisane powyżej wielokierunkowe działania polimeru kapsułującego w połączeniu z inhibitującym działaniem KCl umożliwia daleko idące ograniczenia hydratacji, pęcznienia i sypania przewiercanych skał ilastych oraz ułatwia oczyszczanie płuczki wiertniczej. Do sporządzania i regulowania parametrów płuczki polimerowej «Stabpol System» używane są następujące podstawowe materiały: bentonit (Bentopol), PHPA (Stabpol), wodorotlenek potasu (KCl), CMC (Polofix LV, HV), biocyd (Biostat), baryt do zwiększenia gęstości.

W przypadku wiercenia otworów kierunkowych lub poziomych dodatkowo stosuje się biopolimer (Viscogel) i środek smarny (Superlub).

Typowy wyjściowy skład płuczki «Stabpol System» jest następujący:

• Bentopol – 3%
• Polofix LV – 2%
• Biostat – 0,2%
• KCl – 3%
• Stabpol S – 0,3-0,4%
• KOH – 0,1%
• Defpol – 0,1%
• Baryt

Wprowadzenie płuczki polimerowo- potasowej spowodowało bardzo duży spadek problemów wiertniczych przy przewiercaniu kompleksów skał ilasto- łupkowych w trudnych rejonach geologicznych np. Karpat. Płuczka ta aktualnie jest podstawową płuczką do wiercenia pod kolumny techniczne na terenie całej Polski i Morzu Bałtyckim.

Płuczki solne

Do przewiercania utworów cechsztynu zawierających warstwy soli NaCl oraz wkładki soli magnezowych i potasowych o łącznej miąższości od kilkuset do kilku tysięcy metrów stosowane są płuczki o pełnym zasoleniu o podwyższonych gęstościach sięgających niekiedy 2,30 g/cm3.

Płuczki te sporządza się na nasyconym roztworze NaCl (bez dodatku bentonitu czy atta-pulgitu) z dodatkiem modyfikowanych środków skrobiowych, biopolimeru, środka odpieniającego i obciąża barytem. Przy wymaganych gęstościach powyżej 1,8 g/cm3 dalsze jej obciążanie prowadzi się przy pomocy hematytu. W celu polepszenia własności smarnych (otwory kierunkowe) stosuje się Superlub a dla neutralizacji dopływów H2S stosowany jest dodatek węglanu cynku. W wyższych temperaturach znacznie przekraczających 100oC do kontroli filtracji stosuje się CMC i PAC i wprowadza się dodatkowo syntetyczny sulfonowany polimer, który stabilizuje filtrację i parametry reologiczne w wysokich temperaturach a ponadto podnosi odporność płuczki na jony dwuwartościowe (Mg++, Ca++).

Typowy skład płuczki solno- skrobiowej jet następujący:

• NaCl – 310 kg/m3
• Stardrill S – 2,5%
• Viscogel – 0,1%
• Biostat – 0,2%
• Defpol – 0,2%
• NaOH – 0,2%
• Baryt + ew. hematyt i w razie potrzeby węglan cynku np. 1%, Superlub – 1%.

W temperaturach do 100 oC płuczka solno- skrobiowa bardzo dobrze zdaje egzamin przy przewiercaniu utworów cechsztynu. W wyższych temperaturach filtrację obrabia się dodatkiem CMC i PAC a odporność termiczną i na jony dwuwartościowe podnosi się przy zastosowaniu sulfonowanego polimeru Quadrill dodawanego w ilościach od 0,3-1%. Stosowanie tego typu nieskomplikowanych płuczek solnych (bez bentonitu czy attapulgitu) powoduje zwiększoną odporność płuczki na jony wapnia i magnezu oraz łatwość regulacji alkaliczności tej płuczki przy przewiercaniu horyzontów z zawartością H2S. Płuczkami solno- skrobiowymi wierci się w Polsce kilkanaście otworów rocznie w rejonach występowania utworów cechsztynu.

Płuczka beziłowa do dowiercania złóż

Od wielu lat w krajowym wiertnictwie stosowane są specjalne płuczki do dowiercania złóż w celu ochrony przepuszczalności strefy przyodwiertowej. Pogorszenie przepuszczalności skał złożowych w strefie przyodwiertowej związane jest z wnikaniem w kanały porowe cząstek stałych (bentonit, zwierciny, materiały obciążające) oraz filtratu z płuczki wiertniczej. Cząstki stałe o wymiarach mniejszych od średnic por piaskowca wnikają w głąb i blokują kanały porowe zmniejszając przepuszczalności tym skuteczniej im są bardziej miękkie i elastyczne. Wnikający filtrat powoduje zaistnienie wielu zjawisk fizycznych i chemicznych w skale zbiornikowej, przy czym decydującą rolę odgrywa pęcznienie i dyspersja minerałów ilastych wchodzących w skład skały zbiornikowej oraz zjawiska adhezyjno-kapilarne. Aby zminimalizować w/w negatywne zjawiska, od lat do dowiercania złóż stosuje się płuczki beziłowe. W skład płuczek beziłowych wchodzą takie środki jak: inhibitory pęcznienia minerałów ilastych, blokatory, środki obniżające filtrację, zagęstniki, środki do podnoszenia gęstości płuczki i środki bakteriobójcze. Zasadniczą rolę w tego typu płuczkach odgrywają blokatory. Blokatory muszą spełniać dwa podstawowe wymagania:

1. wytworzenie w bardzo krótkim czasie osadu zabezpieczającego przed wnikaniem drobnych cząstek fazy stałej i filtratu w strefę przyotworową,
2. wytworzony osad na ścianie otworu powinien być lekko sczepiony ze skałą złożową tak, aby podczas wywoływania produkcji ciśnienie złożowe powodowało jego zniszczenie (przebicie) a ponadto w niektórych przypadkach wytworzony osad mógłby być usunięty metodami chemicznymi (np. kwasowanie).

Szybkie wytworzenie osadu filtracyjnego na ścianie otworu jest możliwe wówczas, gdy uziarnienie blokatorów jest dopasowane do wielkości por skały. Najogólniej można powiedzieć, że blokator musi zawierać pewną ilość cząstek o wymiarach mniejszych od średnic pororaz cząstki zbliżone i większe od średnic por. Aby zapewnić szybkie wytworzenie warstwy blokującej na ścianie otworu ziarna blokatora powinny być większe od 1/3 średnicy por piaskowca a pewna część (ok. 30%) ziaren blokatora powinna posiadać większe wymiary od średnicy por. Taki rozkład uziarnienia umożliwia szybkie wytworzenie wewnętrznej warstwy sczepnej, a następnie osadu na ścianie otworu blokującego dalsze wnikanie cząstek stałych z płuczki w głąb skały. Zastosowanie blokatorów ziarnistych i włóknistych o odpowiednio dobranych rozmiarach cząstek powoduje bardzo szybkie wytworzenie szczelnego i cienkiego osadu, co zapobiega dalszej inwazji cząstek koloidalnych i filtratu w strefę przyodwiertową (Rys. 1, 2, 3).

Blokator organiczny dzięki swojej włóknistej strukturze i elastyczności wypełnia szczeliny pomiędzy ziarnami blokatora mineralnego i tworzy szybko szczelny osad na ściance otworu. PSPW od wielu lat stosuje jako blokator ziarnisty, mielony marmur o odpowiedniej granulacji o nazwie Blok M, a jako blokator włóknisty preparat celulozowy o nazwie Blok K-200.

Do dowiercania złóż, PSPW stosuje płuczkę beziłową z blokatorami o składzie:

3-5 % KCl, 2 % X-drill, 0-0,2 % Stabpol, 0-0,3 % Biopolimer (n. XCD), 5-10 % Blok M-25,

1% Blok K-200, 0,2 % Biostat.

Skład ten jest modyfikowany w zależności od przewiercanych serii złożowych, ciśnień złożowych oraz trajektorii otworu (pionowy, kierunkowy, poziomy). Wyniki badań wykonanych w Instytucie Nafty i Gazu wpływu płuczki X-drill na przebieg zmian przepuszczalności wzorcowego piaskowca przedstawiono na Rys. 4. Jak widać najlepsze rezultaty (najmniejsze uszkodzenie przepuszczalności) otrzymuje się przy użyciu płuczek X-Drill z dodatkiem Bloku M-25 i Bloku K-200.

Wyniki badań laboratoryjnych zostały potwierdzone w praktyce przemysłowej przy dowiercaniu płuczką X-drill złóż ropy i gazu oraz PMG odwiertami pionowymi i poziomymi w różnych rejonach Polski, na Morzu Bałtyckim oraz w rejonie Kaliningradu. Po zastosowaniu tej płuczki w kilkudziesięciu otworach do dowiercania warstw złożowych można powiedzieć, że daje ona gwarancję maksymalnej ochrony strefy przyodwiertowej nawet w przypadku obniżonych ciśnień złożowych poniżej ciśnień hydrostatycznych.

Autorzy: Jan Pudło, Alfons Dudek
Polski serwis płynów wiertniczych, Krosno

Literatura:

1. Di Jiao, M.M.Sharma. Mud- Induced Formation Damage in Fractured Reservoirs – SPE Drilling& Completion March, 1996.
2. Z. Herman. Sprawozdanie z badań płuczki wiertniczej z dodatkiem blokatora K-200 – Opracowanie IGNiG Kraków – grudzień, 1998.
3. J. Pudło, A. Dudek. Płyny do dowiercania złóż i prac wykończeniowych zalecane przez PSPW – Geopetrol – Zakopane, 2000.
4. PSPW – Katalog materiałów płuczkowych i cementowych – Krosno, 2005.