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        可降解微泡沫壓井液的研制與應(yīng)用

        2020-02-18 01:41:36劉洪國
        山東化工 2020年1期
        關(guān)鍵詞:產(chǎn)品實驗

        劉洪國

        (吉林油田公司鉆井工藝研究院,吉林 松原 138000)

        以農(nóng)作物作為為主產(chǎn)區(qū)的產(chǎn)糧地區(qū),糧食豐收后,其秸桿以前的處理方法多采用焚燒的方式。由于近些年環(huán)保要求的提高,禁止焚燒,使秸桿的處理方式變得愈加重視。由于農(nóng)作物秸稈是由大量的有機物和少量的無機物及水所組成的,其有機物的主要成分是纖維素類的碳水化合物。結(jié)合植物秸桿的有效成份,我們采用化學方法對植物秸桿進行化學改性,合成出了可降解微泡沫壓井液,該產(chǎn)品的研制成功,可以有效地解決目前使用的壓井液存在的不降解、對環(huán)境存在潛在危害的缺點。具有“一劑多效”的功能,為油氣田的開發(fā)提供了一項新產(chǎn)品。

        1 可降解微泡沫壓井液的研制

        1.1 植物秸桿的組成

        植物物秸稈是由大量的有機物和少量的無機物及水所組成的。其有機物的主要成分是纖維素類的碳水化合物,此外還有少量的粗蛋白質(zhì)和粗脂肪。碳水化合物又由纖維素類物質(zhì)和可溶性糖類組成。纖維素類物質(zhì)是植物細胞壁的主要成分,它包括纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等。

        1.2 研究思路

        植物秸桿中的有機物在高溫高壓下分解成纖維素和木質(zhì)素及糖類后,通過與化學原料接枝共聚反應(yīng)形成長鏈高分子聚合物來增加體系黏度;利用絡(luò)合反應(yīng)提高體系抗溫能力;引入磺酸基團達到發(fā)泡的作用;最后采用中和原理形成中性無腐蝕可降解的微泡沫壓井液體系。

        1.3 實驗部分

        1.3.1 實驗儀器及藥品

        液體密度計、六速旋轉(zhuǎn)黏度計、中壓失水儀、高溫滾子加熱爐、植物秸桿(不同目數(shù))、丙烯腈、丙烯酰胺、過硫酸銨、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、磺酸、烏洛托品、氫氧化鈉。

        1.3.2 實驗過程

        將不同目數(shù)的植物秸稈置于高溫高壓反應(yīng)釜內(nèi),加入定量的水,120℃、2 MPa下反應(yīng)一定時間后;再向反應(yīng)釜內(nèi)加入定量的水,并依次加入定量的丙烯腈、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸、過硫酸銨。在50℃、常壓條件下反應(yīng)60 min;待反應(yīng)完成后加入定量的磺酸,在120℃、2 MPa下反應(yīng)一定時間;然后向反應(yīng)釜內(nèi)加入定量的烏洛托品,在50℃、常壓條件下攪拌30 min;將反應(yīng)后的原料泵入處理罐內(nèi)在50℃、常壓條件下攪拌30 min;再向處理罐內(nèi)加入所用氫氧化鈉溶液進行中和反應(yīng),在50℃、常壓條件下攪拌30 min;即得成品。

        1.3.3 實驗數(shù)據(jù)

        1.3.3.1 原料細度及反應(yīng)時間對產(chǎn)品濾失量的影響

        將原料通過粉碎機加工成以下目數(shù):1~5目、5~10目、10~20目、20~30目、30~40目五種規(guī)格,加入其質(zhì)量1∶1的水,在120℃、2 MPa的條件下,不同反應(yīng)時間的情況下測其濾失量。結(jié)果見表1。

        表1 不同規(guī)格原料對產(chǎn)品濾失量的影響 mL

        通過表1數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論:產(chǎn)品原料在5~20目規(guī)格之間,反應(yīng)4 h,所得產(chǎn)品濾失量符合行業(yè)標準要求。因此,將產(chǎn)品中植物秸桿處理的生產(chǎn)條件設(shè)計為:120℃、2 MPa下反應(yīng)4 h。

        1.3.3.2 共聚反應(yīng)原料的篩選

        壓井液的黏度是壓井液的一項重要指標,黏度的大小直接體現(xiàn)在巖屑能否順利返出地面;另外,黏度的增加能顯著提高壓井液的半衰期,保證正常施工。基于此原因,我們選取2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸為主體原料,分別與丙烯腈、丙烯酰胺進行共聚,在50℃條件下反應(yīng)1 h得到聚合產(chǎn)品,來增加體系黏度。實驗數(shù)據(jù)見圖1。

        通過圖1可以看出:隨著兩種原料加量的增加體系黏度增大,丙烯腈共聚產(chǎn)品提粘比丙烯酰胺共聚產(chǎn)品提粘好。因此,選擇丙烯腈作為合成壓井液的原料,加量為2.5%。

        圖1 不同原料加量對體系黏度影響

        1.3.3.3 產(chǎn)品發(fā)泡性能試驗

        由于本次研制的壓井液為微泡沫低密度壓井液,不同于常規(guī)的壓井液,為了實現(xiàn)低密度性能,產(chǎn)品必須具有發(fā)泡能力。因此,為了產(chǎn)品具有較好的發(fā)泡性能我們在其中引入大量的磺酸基團,以求得到完善的產(chǎn)品。即通過加入不同比例的磺酸在高溫高壓下進行反應(yīng),實驗數(shù)據(jù)見表2。

        表2 不同磺酸加量對發(fā)泡性能的影響

        通過實驗數(shù)據(jù)證明:發(fā)泡性能與磺酸有直接關(guān)系,隨著磺酸加量增加,發(fā)泡能力提高。當加量達到3%時發(fā)泡能力趨于平緩,因此產(chǎn)品設(shè)計磺酸加量為3%。

        1.3.3.4 抗高溫性能試驗

        圖2 烏洛托品加量對產(chǎn)品抗溫性能影響

        隨著井深的增加,地層溫度越來越高,這對產(chǎn)品的抗溫性能提出了要求,如果產(chǎn)品不具備抗溫性能,導致在施工作業(yè)時,壓井液黏度下降巖屑無法返出地面,從而發(fā)生卡鉆事故。解決產(chǎn)品抗溫能力的辦法主要是增大產(chǎn)品的分子量,因此對產(chǎn)品進行接枝反應(yīng)處理,具體實施為利用烏洛托品的獨特性能,將產(chǎn)品中分子進行接枝。實驗數(shù)據(jù)見圖2。

        通過實驗數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論:通過烏洛托品的加入,產(chǎn)品抗溫能力增加,當加量達到2%時,抗溫能力達到穩(wěn)定。

        1.3.3.5 產(chǎn)品腐蝕性能試驗

        產(chǎn)品反應(yīng)完成后,由于殘余磺酸的存在,導致產(chǎn)品為酸性,酸性的存在容易對鉆具產(chǎn)生腐蝕。因此要對產(chǎn)品進行中和處理,使壓井液溶液pH值為中性,對鉆具起到保護作用。產(chǎn)品中和前后腐蝕性試驗圖如圖3。

        圖3 腐蝕性試驗圖

        1.3.3.6 壓井液可降解性能試驗

        施工完成后,為了不對地層產(chǎn)生污染,要求壓井液應(yīng)具有可降解功能。因此我們將壓井液原液在120℃熱滾20天后,測其表觀黏度,黏度降低至1.5 mPa·s,可見壓井液已經(jīng)失效,壓井液具有高溫可降解性。另外,通過檢測產(chǎn)品的COD值也證明了其可降解性能。

        表3 壓井液COD值

        1.3.3.7 壓井液綜合實驗數(shù)據(jù)

        通過以上化學反應(yīng),最終形成可降解微泡沫壓井液,綜合實驗數(shù)據(jù)如表4。

        表4 壓井液綜合實驗數(shù)據(jù)

        2 應(yīng)用機理研究

        植物秸稈在高溫高壓作用下,分解成有機物、無機物及部分不溶解的纖維狀物質(zhì),通過共聚、磺化、接枝、中和等化學反應(yīng),生成了具有多種基團、多性能的混合物質(zhì)。首先由于該產(chǎn)品中表面活性劑的發(fā)泡作用,在施工時可以降低液柱壓力,減小壓差,使壓井液無法進入油氣層,對油氣層起到保護作用。其次,壓井液中不溶解的纖維狀物質(zhì)遇到漏失層時,進行架橋堆積封堵漏失層。再次泡沫在漏失區(qū)域泡沫大小分布廣泛,且具有一定的強度和韌性,同時具有可變形性,以匹配漏失通道,從而達到防漏的目的。遇到比微泡尺寸大的滲流通道時,微泡膨脹封堵;遇到與微泡尺寸接近的漏失通道時,微泡被低壓漏失層吸入時拉長,增加流入的阻力,控制流體進一步漏失;遇到比微泡尺寸小得多的漏失通道時,壓井液中的高聚物吸附地層表面形成高黏度薄膜,封堵漏失地層。

        3 現(xiàn)場實驗

        城深**井,人工井底3116 m,地層壓力系數(shù)范圍0.85~1.01,施工內(nèi)容為封井作業(yè)。2017年12月25日該井作業(yè)占井, 12月26日至1月2日采用清水壓井,漏失嚴重無法建立循環(huán)。1月3日打入40 m3可降解微泡沫壓井液(密度0.95 g/mL,依據(jù)配方可實現(xiàn)0.85~1.05 g/mL),建立循環(huán),基本無漏失,1月8日完成拆井口,安防噴器以及起管工序,2月1日固井完,整個過程中使用60 m3可降解微泡沫壓井液,實現(xiàn)了降低作業(yè)液體流入地層的目的。

        4 結(jié)論

        (1)該壓井液密度可調(diào),能滿足不同地層壓力的采氣井施工需要。表觀黏度、API濾失量、腐蝕速率等指標均符合標準要求;

        (2)可降解,對環(huán)境不產(chǎn)生傷害;

        (3)產(chǎn)品濾失量低、具有一定的暫堵作用,可以有效地保護油氣層;

        (4)有抗低溫能力,保證冬季正常施工;

        (5)產(chǎn)品穩(wěn)定,無析出現(xiàn)象。

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