Применение велановой камеди в бурении скважин

В статье рассматриваются физико-химические особенности велановой камеди и возможности её применения в процессах строительства скважин. Показаны основные свойства данного природного полисахарида, обеспечивающие формирование устойчивых гелей и регулирование реологических параметров буровых растворов. Проведен анализ влияния велановой камеди на снижение потерь бурового раствора, стабилизацию стенок скважин, а также повышение эффективности процессов гидравлического транспорта твёрдых частиц. Сравнение с другими полисахаридными реагентами подтверждает перспективность её использования как экологически безопасного и экономически оправданного компонента буровых растворов.

Что такое велановая камедь?

Обеспечение минимального загрязнения продуктивных пластов с трудноизвлекаемыми запасами углеводородного сырья наряду с безаварийностью работ при строительстве и капитальном ремонте нефтегазовых скважин не снижает своей актуальности в современной нефтепромысловой химии. Особенно актуальным и востребованным это становится при проводке в осложненных условиях скважин с горизонтальным окончанием и низких пластовых давлениях [2]. В этих условиях одним из оправданных практических решений является использование реагентных систем и композиций, создаваемых на основе продуктов возобновляемого природного сырья. Важным становится придание направленных технологических и физико-химических свойств разработанным полисахаридным композициям на основе модифицированных форм крахмалов, целлюлозы, камедей, лигносульфонатов, а также эффект их взаимного влияния (синергетический эффект).

Другими биополимерами, применяемыми в этих растворах по настоящему изобретению, являются так называемые велановые камеди, которые получают путем ферментации микроорганизма рода Alcaligenes. См., например, патент США № 4342866, включенный в описание настоящего изобретения в качестве ссылки [1].

Велановая камедь — это новый тип микробного полисахарида после ксантановой камеди, геллановой камеди. Это водорастворимый биополимер, полученный путем микробной ферментации.

Он обладает превосходной загущаемостью, псевдопластичностью, высокой термостойкостью, имеет превосходные характеристики, такие как высокая солестойкость и широкий диапазон приспособляемости к pH. Он может широко использоваться в нефтяной промышленности, производстве строительных материалов и других отраслях с широкими перспективами применения.

Велановая камедь представляет собой твердый порошок и обладает хорошей термостойкостью. Ее водный раствор обладает хорошей вязкостью и реологическими свойствами и может выдерживать высокие концентрации ионов кальция. Ее можно использовать в качестве добавки к цементу в цементной промышленности для повышения консистенции и плотности рудного песка.

Реологические свойства улучшают устойчивость самоуплотняющегося бетона и увеличивают химическое давление и водоотделение шламового бетона. Ее можно использовать в нефтяной буровой промышленности для обеспечения загущения, суспензии и реологических свойств для нефтяного раствора. Ее также можно использовать в тонкой химии, повседневной химии и других отраслях промышленности [6].

Используется в высокомолекулярных полимерах, в нефтепромысловых применениях, в литейных покрытиях, пигментных суспензиях, загустителях цемента или бетона, герметиках для шин и загустителях покрытий.

Наименование	0,28% р-р в морской воде
	600	300	200	100	6	3	LSRV
Велановая камедь	140	122,5	115	107,5	77,5	72,5	11980
Ксантановая камедь	105	77,5	67,5	55	27,5	22,5	3540

Таблица 1 – Сравнение велановой камеди с ксантановой камедью по методике ISO 1350

Растворимость велановой камеди зависит от степени очистки и условий среды. В пресной воде она быстро образует устойчивые растворы, обладающие выраженными тиксотропными свойствами. При наличии электролитов (солей кальция, магния, натрия) вязкость раствора снижается, однако введение модифицирующих агентов позволяет стабилизировать систему.

Одной из ключевых особенностей велановой камеди является способность формировать псевдопластичные системы, в которых вязкость уменьшается при возрастании скорости сдвига. Этот эффект крайне важен для процессов бурения: во время циркуляции бурового раствора вязкость снижается, что облегчает его прокачку, а при статическом состоянии раствор приобретает повышенную структурную прочность, что способствует удержанию частиц шлама во взвешенном состоянии [2].

По сравнению с другими природными полисахаридами, например, ксантановой камедью или карбоксиметилцеллюлозой (КМЦ), велановая камедь обладает более выраженной способностью к образованию вязких растворов при относительно низких концентрациях (0,2–0,5 % масс.). Кроме того, она демонстрирует устойчивость к изменениям рН в диапазоне 4–10 и сохраняет структурные свойства при температурах до 80–90 °С, что делает её пригодной для применения в большинстве условий строительства скважин.

Велановая камедь в буровых растворах

Включение велановой камеди в состав буровых растворов в качестве реагента позволяет существенно улучшить их эксплуатационные характеристики. В первую очередь это проявляется в регулировании реологических свойств: пластической вязкости, предела текучести и статического напряжения сдвига. Благодаря своей молекулярной структуре камедь придаёт раствору высокую стабильность, а её тиксотропное поведение обеспечивает эффективное удаление шлама из скважины и его удержание во время остановки циркуляции.

Одним из значимых эффектов является снижение фильтрации бурового раствора за счёт образования на стенках скважины плотной и эластичной фильтрационной корки. Такая корка препятствует проникновению жидкости в пористые коллекторы, что снижает вероятность поглощений и сохраняет устойчивость горных пород. В условиях слабосцементированных и трещиноватых пород это свойство играет критическую роль для предотвращения осложнений в процессе бурения [4].

Для оценки эффективности велановой камеди (Welan Gum, ChemiKate WelGum) проведено сравнение её влияния на свойства бурового раствора в сопоставлении с ксантановой камедью (Xanthan Gum). Результаты экспериментов представлены в таблице 2.

Welan Gum демонстрирует более низкий показатель фильтрации (6,0 см³/30 мин против 6,7 см³/30 мин для ксантана), что улучшает изоляционные характеристики и снижает риск поглощений.

У Welan Gum выше показатель консистенции (15,78 против 5,44), что указывает на более структурированную систему.

Показатель нелинейности ниже (0,37 против 0,53), что говорит о более предсказуемом реологическом поведении, удобном для инженерных расчетов.

С, %	Плотность, г/см3	Условная вязкость, сек/кв	Показатель фильтрации, см3/30мин	Пластическая вязкость, Па·с
Welan Gum	1,06	16,17	6	13
Xantan Gum	1,05	13,7	6,7	9

С, %	600 об/мин	300 об/мин	ДНС, дПа	СНС1, дПа
Welan Gum	40	31	76,61	19,15
Xantan Gum	42	29	105,16	14,36

С, %	СНС10, дПа	рН	Показатель консистенции	Показатель нелинейности
Welan Gum	28,73	9	15,78	0,37
Xantan Gum	52,67	9	5,44	0,53

Таблица 2 – Сравнение свойств псевдопластичных растворов

Практические исследования показывают, что добавление велановой камеди эффективно как в пресных растворах, так и в системах, содержащих соли натрия и кальция. При этом даже малые дозировки (0,3–0,6 % масс.) обеспечивают необходимый уровень структурообразования. В минерализованных системах камедь может применяться совместно с ингибиторами или стабилизирующими добавками для повышения устойчивости.

Применение велановой камеди также способствует улучшению выносящей способности буровых растворов, что особенно важно при бурении горизонтальных и наклонно-направленных скважин [5]. За счёт образования вязкоупругой среды достигается более равномерный транспорт шлама и предотвращается его осаждение в нижней части ствола.

Таким образом, использование велановой камеди в составе буровых растворов позволяет одновременно решать задачи регулирования реологии, снижения фильтрации и обеспечения устойчивости скважины, что делает её перспективным компонентом для современных технологий бурения.

Применение велановой камеди в цементировании

Использование велановой камеди в цементных системах позволяет существенно повысить их эксплуатационные свойства. Цементная композиция, содержащая цемент (181,4–362,8 мас. ч.), заполнитель (544,3–1814,4 мас. ч.), воду (54,4–217,7 мас. ч.) и велановую смолу (45,36–907,18 мас. ч.), отличается улучшенной текучестью, однородностью и сниженной склонностью к водоотдаче. При этом содержание добавки составляет 0,01–0,9 % от массы цемента, что подтверждено данными патента US 4963668.

Практическая ценность велановой камеди заключается в возможности её введения непосредственно в сухие цементные смеси без предварительной гидратации. Это исключает образование агломератов («цементных комков») и позволяет синхронизировать процесс диспергирования с технологическим циклом приготовления раствора (60–120 с). Полученные цементные пасты характеризуются пониженной проницаемостью и повышенной прочностью, что особенно актуально при цементировании скважин в условиях аномально высоких пластовых давлений и при необходимости обеспечения долговременной герметичности заколонного пространства.

Таким образом, быстро гидратирующаяся велановая камедь является перспективной добавкой для модификации цементных композиций, обеспечивающей улучшение реологических свойств, снижение фильтрационных потерь и повышение долговечности тампонажных камней.

Заключение

Велановая камедь (Welan Gum) представляет собой перспективный полимерный реагент для процессов строительства скважин. Экспериментальные данные подтвердили её положительное влияние как на цементные композиции, так и на буровые растворы.

В цементировании добавка способствует улучшению текучести и однородности цементного раствора, снижает фильтрационные потери и повышает герметичность заколонного пространства, что особенно важно в условиях осложнённых разрезов и аномально высоких пластовых давлений.

В буровых растворах велановая камедь обеспечивает оптимальный баланс между пластической вязкостью и статическим напряжением сдвига, улучшает способность к транспортировке выбуренной породы, стабилизирует фильтрационные показатели и формирует прогнозируемую реологическую модель.

Таким образом, велановая камедь может рассматриваться как эффективная альтернатива традиционным полисахаридам (ксантану и др.), обеспечивая повышение надежности и технологической эффективности процессов бурения и цементирования скважин.

Источники, список используемой литературы

1. Ракицки Г., Уолтер Д., Ричи Д. Способ и получаемая им велановая смола / пат. RU 2119923 C1. — Опубл. 10.10.1998. — Бюл. № 10. — Электронный ресурс: https://patents.google.com/patent/RU2119923C1/ru
2. «Велановые камеди и их применение» — Электронный бюллетень ЕАПО 2010, выпуск 06. — Электронный ресурс: https://old.eapo.org/ru/publications/bulletin/ea201006/HTML/014615.html
3. Long Xu, Guiying Xu, Teng Liu, Yijian Chen, Houjian Gong. The comparison of rheological properties of aqueous welan gum and xanthan gum solutions. Carbohydrate Polymers. 2013. Vol. 92, № 1, pp. 516–522. DOI: 10.1016/j.carbpol.2012.09.082.
4. «Properties and application of Welan Gum» — IngredientFood. — Электронный ресурс: https://ru.ingredientfood.com/news/properties-and-application-of-welan-gum-65055292.html
5. И.А. Четвертнева // Оценка эффективности применения биополимерных буровых реагентов при бурении горизонтальных стволов // И.А. Четвертнева, Г.А. Тептерева, И.Ф. Гайсин, С.Ю. Шавшукова – М.: Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья 2019. – 40 с.
6. Гайдаров М.М.-Р., Хуббатов А.А., Мирсаянов Д.В. и др. Выбор буровых растворов для стабилизации глинистых отложений при бурении нефтяных и газовых скважин // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море — 2012. — № 3 — С.28-34.
7. ГОСТ 33213-2014 (ISO 10414-1:2008) Контроль параметров буровых растворов в промысловых условиях. Растворы на водной основе. Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации (МГС). – Москва: Стандартинформ, 2015. – 75 с.
8. Heath G., Okesanya T., Levey S. A Practical Study of the Influence of Drill Solids on the Corrosion of Downhole Tubulars When Using Brine Based Drilling Fluids // SPE Western Regional Meeting, 20-22 April 2022. OnePetro, 2021. SPE-200886-MS. DOI: 10.2118/200886-MS