常瓏嚴
(中國石化華北石油工程有限公司五普鉆井分公司,河南新鄉(xiāng)453700)
面對石油地質(zhì)儲量被開采得日益減少以及社會對石油資源的需求逐漸加劇的現(xiàn)狀。為更好地發(fā)現(xiàn)和開發(fā)油藏,多實施欠平衡鉆井作業(yè),以最大限度地保護儲層。
作為一種深井低密度欠平衡水基鉆井流體,水包油鉆井液既保持了水基鉆井液的特點,又具備了油基鉆井液的特點,適合于深井欠平衡鉆井作業(yè)。
其主要優(yōu)點如下:
(1)體系性能穩(wěn)定,抗溫能力強,流動性好,濾失量低,穩(wěn)定井壁能力較強;
(2)其密度低于普通鉆井液體系,欠平衡鉆進時對儲層損害極小,有利于解放油氣層,提高油氣井產(chǎn)能;有助于防止井漏的產(chǎn)生和機械鉆速的提高,不影響電測和核磁測井;
(3)潤滑作用好,可減少對泥漿泵的損害;
(4)較之泡沫和充氣鉆井液體系而言,其在使用過程中不需配備復(fù)雜設(shè)備,且性能上容易監(jiān)測、控制和調(diào)整;較純油基鉆井液成本低,對橡膠件的損害小,對環(huán)境污染小。
正因水包油鉆井液有著以上優(yōu)良的性能,已經(jīng)廣泛的投入到石油工業(yè)中。液體黃原膠是近幾年新開發(fā)的一種新型鉆井液流變性調(diào)節(jié)劑,在國外已經(jīng)開始應(yīng)用于鉆井液,在國內(nèi)幾乎還沒有人進行室內(nèi)評價和現(xiàn)場使用。由于國外對這種新型黃原膠產(chǎn)品的使用方法進行了保密,因此在我國它的應(yīng)用幾乎處于一片空白。本文通過探索研究液體黃原膠對5種鉆井液體系乳化性和流變性的影響,優(yōu)選液體黃原膠水包油鉆井液體系配方,以解決鉆井中的難題,提高鉆井效率。
黃原膠是一種具有超高分子量的細菌胞外多糖,只溶于水中。由于其側(cè)鏈上含有可電離的三糖基團,表現(xiàn)出很強的聚電解質(zhì)行為,因而給分子量及分子量分布的測定帶來許多困難。
許多學者對黃原膠的分子量進行了研究,但由于測試方法和試驗條件以及樣品的差異,得到的結(jié)果不盡相同。綜合多家數(shù)據(jù)得出黃原膠分子量的大致范圍是 2×106~50×106。
它的側(cè)鏈較大且成螺旋,所以分子鏈較粗,加之電鏡分辨率較高(1.4 A。),因而其分子在電鏡下清晰可辨。經(jīng)電鏡觀察并從其變性后的形態(tài)變化推測出黃原膠分子的二級結(jié)構(gòu)是由40余個亞基組成的直徑為4 nm的右手雙螺旋(見圖1)。
圖1 黃原膠分子的多亞基雙螺旋
黃原膠的分子式(C35H49O29)n,它是一種線型高分子聚合物,它的β-主鏈上含有D-葡萄糖、D-甘露糖、D-葡萄糖醛酸。這種聚合物可能的最簡單的結(jié)構(gòu)模式如圖2所示。
圖2 黃原膠最簡單的結(jié)構(gòu)模式
結(jié)構(gòu)中丙酮酸和葡萄糖醛酸帶有陽離子基,分子鏈呈自由卷曲狀態(tài);但在多數(shù)情況下,由于大分子內(nèi)部氫鍵的存在而成雙螺旋麻花狀的立體構(gòu)型,進而有序地排列成聚合體結(jié)構(gòu)(超會合結(jié)構(gòu))。
由于它具有這種超會合結(jié)構(gòu),如圖3所示,即使它的水溶液在較低的濃度時,仍具有較高粘度。這種立體構(gòu)型在溫度和剪切速率的變化下可以互相轉(zhuǎn)化。
圖3 黃原膠的雙螺旋環(huán)結(jié)構(gòu)
黃原膠是一種集增稠、懸浮、乳化、穩(wěn)定于一體、性能較為優(yōu)越的生物膠。它在水溶液中呈多聚陰離子且構(gòu)象是多樣的,不同條件下表現(xiàn)出不同的特性,具有獨特的理化性質(zhì)。
(1)穩(wěn)定性。黃原膠溶液具有很強的抗溫性和抗酸堿能力。許多酶如蛋白酶、淀粉酶、纖維素酶和半纖維素酶等都不能使黃原膠降解。
(2)假塑流變性。黃原膠溶液是一種典型假塑性流體,具有很好的剪切稀釋性。
(3)增稠性。黃原膠具有良好增稠性能,特別是在低質(zhì)量濃度下具有很高粘度,0.3 g/L黃原膠溶液即能產(chǎn)生0.09 Pa·s有效粘度。與大多數(shù)合成或天然增稠劑配伍,混溶后使混合膠粘度顯著提高。
(4)懸浮性和乳化性。由于黃原膠理化性質(zhì)穩(wěn)定,因而具有良好懸浮性和乳化性。
本試驗的主要目的是探索液體黃原膠對鉆井液乳化特性的影響,通過研究液體黃原膠對柴油-清水體系、柴油-清水-充氣劑體系、原油-清水-充氣劑體系、原油-聚合物鉆井液體系和原油-聚磺鉆井液水包油鉆井液5種鉆井液體系性能的影響,分析總結(jié)液體黃原膠對鉆井液乳化特性的影響。具體試驗方案見表1。
按照試驗方案把液體黃原膠加入到鉆井液體系,測量其混合密度、體系的上下部密度以及流變性能和其他一些性能,試驗的原始數(shù)據(jù)見表2。
對原始試驗數(shù)據(jù)進行處理得試驗結(jié)果見表3~7。
表1 試驗設(shè)計方案
表2 試驗原始數(shù)據(jù)
3.3.1 液體黃原膠在柴油-清水體系中的乳化性能(60℃)
由圖4可看出,在柴油-清水體系中加入液體黃原膠,隨著體系液體黃原膠量的增加,表觀粘度、塑性粘度和動切力均增大,液體黃原膠調(diào)節(jié)了體系的剪切稀釋性。
由圖4可看出,體系有一段動切力為負值,這可能是旋轉(zhuǎn)粘度計的機械摩阻影響,導致塑性流體動切力測值偏低。
表3 液體黃原膠在柴油-清水體系中乳化性能試驗(60℃)
表4 液體黃原膠在柴油-清水-充氣劑體系中乳化性能試驗(60℃)
表5 液體黃原膠在原油-清水-充氣劑體系中的乳化性能試驗(60℃)
表6 液體黃原膠在原油-聚合物鉆井液體系中的乳化性能試驗(60℃)
表7 液體黃原膠在原油-聚磺鉆井液體系中的乳化性能試驗(60℃)
圖4 液體黃原膠在柴油-清水體系中流變曲線圖
由圖4可看出,在體系液體黃原膠量1%時,繼續(xù)增加液體黃原膠量,體系流變曲線呈下降趨勢,原因可能是由于液體黃原膠量的持續(xù)增大,導致分子排列成線的趨勢增加,另外有些長鏈分子可能斷裂。
圖5 柴油-清水體系密度變化圖
圖6 液體黃原膠在柴油-清水-充氣劑體系中的流變曲線圖
圖7 液體黃原膠在柴油-清水-充氣劑體系中API失水量
圖8 柴油-清水-充氣劑體系密度變化圖
圖9 液體黃原膠在原油-清水-充氣劑體系中的流變曲線圖
圖10 液體黃原膠在原油-清水-充氣劑體系中的API失水量
由圖5可看出,隨著體系液體黃原膠量的增多,體系上下部液體密度差異在逐漸減小,但是與混合密度差異比較大。
3.3.2 液體黃原膠在柴油-清水-充氣劑體系中的乳化性能(60℃)
圖11 原油-清水-充氣劑體系密度變化圖
圖12 液體黃原膠原油-聚合物鉆井液體系中的流變曲線圖
圖13 液體黃原膠原油-聚合物鉆井液體系中的API失水量
圖14 原油-聚合物鉆井液體系密度變化圖
圖15 液體黃原膠在原油-聚磺鉆井液體系中的流變曲線圖
圖16 液體黃原膠在原油-聚磺鉆井液體系中的API失水量
圖17 原油-聚磺鉆井液體系密度變化圖
(1)由圖6可看出,在柴油-清水-充氣劑體系中加入液體黃原膠,隨著液體黃原膠量的增多,表觀粘度、塑性粘度和動切力均先增后減,液體黃原膠調(diào)節(jié)了體系的剪切稀釋性。在體系液體黃原膠量0.4%時,繼續(xù)增加液體黃原膠量,體系流變曲線呈下降趨勢,原因可能是由于液體黃原膠量的持續(xù)增大,進而導致分子排列成線性的趨勢增加,另外有些長鏈分子可能斷裂。
(2)由圖7可看出,體系中液體還原膠量增多,濾失逐漸減小,慢慢趨于穩(wěn)定,說明在柴油-清水-充氣劑體系中加入液體黃原膠,形成了比較好的泥餅,能夠有效地防止濾失。
(3)由圖8可看出,體系中隨著液體黃原膠量的增加,上下部密度逐漸趨于相同,并且與混合密度差異非常小,體系逐漸趨于穩(wěn)定,體系乳化比較好。
3.3.3 液體黃原膠在原油-清水-充氣劑體系中的乳化性能(60℃)
(1)由圖9可看出,在原油-清水-充氣劑體系中加入液體黃原膠,隨著液體黃原膠量的增加,體系表觀粘度和塑性粘度變化趨勢一致,均是先增大后減小,動切力變化幅度比較小。
(2)由圖10可看出,隨著體系液體黃原膠量的增大,濾失量在逐漸增大,說明體系未能形成好的泥餅,不能有效地防止濾失。
(3)由圖11可看出,隨著體系液體黃原膠量的增加,體系上下部密度差異逐漸減小,但是與混合密度差異比較大,體系乳化效果不好。
3.3.4 液體黃原膠在原油-聚合物鉆井液體系中的乳化性能(60℃)
(1)由圖12可看出,在原油-聚合物鉆井液體系中加入液體黃原膠,隨著液體黃原膠量的增加,體系表觀粘度和塑性粘度先減小,慢慢趨于穩(wěn)定,動切力變化幅度不變。
(2)由圖13可看出,隨著體系液體黃原膠量的增加,失水量先增大后減小。
(3)由圖14可看出,隨著體系液體黃原膠量的增加,上下部密度差異逐漸減小,與混合密度差異比較小,體系乳化比較好。
3.3.5 液體黃原膠在原油-聚磺鉆井液體系中的乳化性能(60℃)
(1)由圖15可看出,在原油-聚磺鉆進液體系中加入液體黃原膠,隨著液體黃膠量的增加,體系表觀粘度和塑性粘度先減小,慢慢趨于穩(wěn)定,動切力先增大后減小。
(2)由圖16可看出,隨著體系液體黃原膠量的增加,失水量先減小后增大。
(3)由圖17可看出,隨著體系液體黃原膠量的增加,體系上下部密度差異逐漸減小,并且與混合密度差異比較小,體系乳化效果比較理想。
優(yōu)選液體黃原膠水包油鉆井液體系配方時,把乳化穩(wěn)定性、流變性、動塑比和API濾失量作為重要的指標,但是還得兼顧其他的性能指標,而在有些加量的選取上,如果在某一性能上變化不大,就可以在考慮其他性能的基礎(chǔ)上選擇其加量,從而得出試驗組,從試驗的各項數(shù)據(jù)結(jié)果中,優(yōu)選出比較好的配方,見表8~11。
由以上乳化對比試驗可以得出以下結(jié)論。
(1)在柴油-清水體系中,優(yōu)選的體系配方較原配方有著較高的表觀粘度,較低的塑性粘度,但是試驗結(jié)果表明API全漏,未能形成泥餅,所以要使用該體系的話,要在其中加入降濾失劑。
(2)在柴油-清水-充氣劑體系中,優(yōu)選的體系配方較原配方有著較高的表觀粘度、較高的動塑比和較低的API失水量,說明形成了良好的泥餅,在鉆井過程中能夠有效地防止濾失,保護井壁。
表8 液體黃原膠在柴油-清水體系中乳化對比試驗(60℃)
表9 液體黃原膠在柴油-清水-充氣劑體系中乳化對比試驗(60℃)
表11 液體黃原膠在原油-抗高溫聚磺鉆井液體系中的乳化對比試驗(60℃)
(3)在原油-聚合物鉆井液體系中,優(yōu)選體系具有較高的表觀粘度、塑性粘度和較高的動切力,API失水較低,能夠形成泥餅。
(4)在原油-聚磺鉆井液體系中,優(yōu)選的體系配方較原配方有著較高的表觀粘度、較高的動切力、API失水量較低和有著較高的動塑比,說明該優(yōu)選體系具有較好的剪切稀釋性能。
通過以上乳化對比試驗,優(yōu)選出以下4組優(yōu)選方案,見表12,其中優(yōu)選出的柴油-清水-充氣劑體系配方更適合作低密度充氣鉆井液。80;基液C配方為100 mL聚磺鉆井液+2.0 g液體黃原膠+0.3 g SP-80;聚合物鉆井液配方為3%膨潤土漿+0.3%CMC+0.1%K-PAM+0.1%JT-888+0.2%銨鹽;聚合物鉆井液配方為聚合物鉆井液基槳+3%SMP-2+3%腐植酸鉀+0.4%Na2O。
表12 液體黃原膠水包油鉆井液體系優(yōu)選方案
該鉆井液體系的特點:表觀粘度與動切力較高,塑性粘度較低,動塑比較高,表明其具有較好的剪切稀釋性能,其能充分發(fā)揮鉆頭的水馬力,有利于提高鉆速,在環(huán)形空間能很好地攜帶巖屑;API濾失量低,具有良好的降濾失性能,能夠形成薄而致密的泥餅,進而有效地阻止鉆井液進入地層,減輕對油氣層的侵害。
(1)試驗結(jié)果表明,在配制超低密度充氣鉆井液時,更適合用柴油,而不宜選用原油。
(2)優(yōu)選的柴油-清水-充氣劑體系,密度很低,適合作低密度充氣鉆井液。
(3)優(yōu)選的原油-聚合物體系,密度比較低,且流變性比較好。
(4)優(yōu)選的原油-聚磺鉆井液體系,體系比較穩(wěn)定,流變性比較好,濾失量低。
(5)液體黃原膠作為一種新型鉆井液流變性處理劑,具有良好的水溶性,耐溫,抗酸堿,優(yōu)良的增粘性,并起一定的降濾失作用,良好的配伍性。目前深井和超深井井底地層情況復(fù)雜,井底溫度高,因此適合應(yīng)用液體黃原膠處理鉆井液。液體黃原膠應(yīng)用廣泛,但在我國石油工業(yè)中的應(yīng)用還需要更多、更深層次的探索和研究。
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