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        鉆井液用抗鹽聚合醇的優(yōu)選與評(píng)價(jià)

        2020-06-30 11:06:08董平華侯珊珊周書勝
        化學(xué)工程師 2020年5期
        關(guān)鍵詞:濁點(diǎn)抗鹽潤(rùn)滑性

        董平華,侯珊珊,吳 宇,周書勝,可 點(diǎn)

        (1.中海石油(中國(guó))有限公司 天津分公司,天津300459;2.荊州嘉華科技有限公司,湖北 荊州 434000)

        隨著國(guó)內(nèi)油氣勘探開發(fā)的逐漸加快,常規(guī)油氣井已趨向飽和,越來(lái)越多惡劣地區(qū)的復(fù)雜井都已提上日程。與此同時(shí),相應(yīng)的鉆井液技術(shù)也面臨著安全快速鉆井、油氣層保護(hù)、環(huán)境保護(hù)等方面的巨大挑戰(zhàn)。由此而產(chǎn)生了諸如聚合醇鉆井液、硅酸鹽鉆井液、類油基鉆井液、環(huán)保合成基鉆井液等新型鉆井液體系。其中,聚合醇鉆井液由于其特殊的優(yōu)點(diǎn)被廣泛研究[1-5],如無(wú)毒可生物降解,有助于環(huán)保;無(wú)熒光,不影響地質(zhì)錄井;核心材料聚合醇為一類非離子型處理劑,與其他處理劑配伍性好;具有濁點(diǎn)效應(yīng),兼具良好的潤(rùn)滑、抑制和封堵性能等。但市面上大多數(shù)聚合醇抗鹽性較差,即在鹽含量較高的溶液中容易產(chǎn)生“鹽析”現(xiàn)象,導(dǎo)致聚合醇在高含鹽鉆井液中濁點(diǎn)大幅度降低,由于鉆井液循環(huán)返出井口時(shí)仍然具有較高溫度,其中的聚合醇還沒(méi)來(lái)得及溶解于鉆井液中就隨鉆屑一起被大量篩除,造成巨大的浪費(fèi),還影響了井下安全。室內(nèi)通過(guò)自主合成研制并篩選出具有抗鹽性能的聚合醇,避免了這樣無(wú)端的浪費(fèi),且能充分發(fā)揮聚合醇的功效,為保障井下安全奠定了扎實(shí)基礎(chǔ)。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 材料

        膨潤(rùn)土、燒堿(NaOH)、純堿(Na2CO3)、聚陰離子纖維素類降濾失劑PF-PAC-LV、聚丙烯酰胺類包被劑PF-PLUS、改性陽(yáng)離子淀粉類降濾失劑PF-FLOCAT、生物聚合物增粘降失水劑PF-JHVIS、無(wú)機(jī)鹽類抑制劑KCl和NaCl、小顆粒固體類潤(rùn)滑劑PFGRA、剛性封堵劑PF-HTC、重晶石,現(xiàn)場(chǎng)海水,中海油田服務(wù)股份有限公司;自主合成材料:丙三醇、乙二醇、催化劑、擴(kuò)鏈劑,分析純,天津市天力化學(xué)試劑有限公司。

        1.2 儀器

        DZKW-D-6型電熱恒溫水浴鍋、ZNN-D6B型電動(dòng)六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)、XGRL-4A型滾子加熱爐、XYM-2型液體密度計(jì)、GJS-B12K型變頻高速攪拌器、GGS42-A型高溫高壓濾失儀、SD6B型常溫中壓API濾失儀,青島創(chuàng)夢(mèng)儀器有限公司;FA型無(wú)滲透鉆井液濾失儀(青島海通達(dá)專用儀器廠);EP-2型極壓潤(rùn)滑儀、高溫高壓PPA封堵裝置,美國(guó)Fann Instrument Company。

        1.3 實(shí)驗(yàn)方法

        1.3.1 3%膨潤(rùn)土漿的配制 取10L水邊攪拌邊緩慢加入300g膨潤(rùn)土,待膨潤(rùn)土分散均勻后慢慢加入質(zhì)量為18g的Na2CO3均勻攪拌30min,將配制好的膨潤(rùn)土漿密封放置24h待用。

        1.3.2 模擬現(xiàn)場(chǎng)鉆井液的配制

        (1)取水化24h后的3%膨潤(rùn)土漿400mL,將其置于高攪器上,以8000r·min-1的轉(zhuǎn)速攪拌,并向其中加入2.0g NaOH和1.2g Na2CO3,攪拌5min;

        (2)緩慢加入2.0g PF-PAC-LV,攪拌10min;

        (3)繼續(xù)緩慢加入0.4g PF-PLUS,攪拌10min;

        (4)繼續(xù)緩慢加入1.2g PF-JHVIS,攪拌15min;

        (5)繼續(xù)加入 24g KCl和 48g NaCl,攪拌 5min后加入聚合醇,攪拌10min后,繼續(xù)加入2.0g PFGRA和20g PF-HTC,攪拌10min后,加入重晶石至密度為1.25g·cm-3。充分?jǐn)嚢杈鶆蚝蟮媚M現(xiàn)場(chǎng)鉆井液。

        1.3.3 鉆井液流變性的測(cè)定 參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16783.1-2014《石油天然氣工業(yè)中鉆井液現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試(第1部分:水基鉆井液)》測(cè)試鉆井液性能,評(píng)價(jià)鉆井液流變性、失水造壁性(高溫高壓)、抑制性、封堵性和潤(rùn)滑性,其中流變測(cè)試溫度為30℃,其他性能測(cè)試溫度下文另作說(shuō)明。

        1.3.4 鉆井液起泡率的測(cè)定

        (1)將400mL加入了聚合醇樣品的基漿倒入高攪杯中,并將高攪杯置于高速攪拌機(jī)上;(2)調(diào)整高速攪拌機(jī)的轉(zhuǎn)速至 8000r·min-1;(3)啟動(dòng)高攪,并開始計(jì)時(shí),攪拌5min后,關(guān)閉高攪;(4)將高攪杯內(nèi)的基漿及泡沫快速轉(zhuǎn)移至1000mL量筒中,記錄基漿及泡沫的體積 V p。起泡率 P=(V p-400)÷400×100%。

        1.3.5 聚合醇濁點(diǎn)的測(cè)定

        (1)準(zhǔn)備稱取試樣 1.0g(精確到 0.01g),加入100mL蒸餾水,攪拌使試樣充分溶解,然后將溶液用慢速濾紙過(guò)濾;(2)量取15~20mL上述試樣濾液,置于試管中,插入溫度計(jì),放在水浴中加熱;(3)用溫度計(jì)輕輕攪拌至溶液完全呈混濁狀(溶液溫度不超過(guò)混濁溫度10℃),停止加熱,在溫度計(jì)攪拌下緩緩降溫;(4)記錄混濁完全消失時(shí)的溫度。重復(fù)試驗(yàn)3次,取平均值,即為該濃度下聚合醇的濁點(diǎn)溫度。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 聚合醇的作用機(jī)理

        聚合醇鉆井液核心材料為聚合醇,也稱作多元醇和復(fù)合醇,其特點(diǎn)在于兼具優(yōu)良的潤(rùn)滑性能、抑制性能和封堵性能。關(guān)于其作用機(jī)理,普遍認(rèn)識(shí)如下。

        2.1.1 吸附效應(yīng) 聚合醇由于其分子中含大量醚鍵,溶于水后接觸到粘土?xí)r會(huì)與水分子競(jìng)爭(zhēng)吸附在粘土表面,從而產(chǎn)生體積較大的化合物層,如果鉆井液或者地層水中含有鉀離子,該化合物層會(huì)與鉀離子產(chǎn)生協(xié)同效果,使吸附在粘土表面的聚合醇結(jié)構(gòu)的有序性和致密性得到進(jìn)一步提高,從而將同樣吸附在粘土上的水分子排斥出去,起到減緩頁(yè)巖表面水化,維持頁(yè)巖持續(xù)穩(wěn)定的作用。

        國(guó)外學(xué)者在這一方面做了比較深入的研究,其中,Aston首先得出在聚合醇和KCl共存情況下,巖樣在其中浸泡后的聚合醇濃度和水濃度與浸泡時(shí)長(zhǎng)及處理劑的加量之間的函數(shù)關(guān)系,發(fā)現(xiàn)浸泡時(shí)間越長(zhǎng),或者聚合醇濃度越高,會(huì)出現(xiàn)含水量降低和聚合醇含量增大的情況。這說(shuō)明在聚合醇與KCl共存的情況下,其中的聚合醇能夠排斥出巖樣中的吸附水,抑制泥頁(yè)巖的表面水化。而Reid在其基礎(chǔ)上做了機(jī)理分析,分析表明在聚合醇單獨(dú)存在的情況下,雖然也能夠吸附在粘土表面,但其抑制能力并未隨著吸附量增加而增強(qiáng),主要是因?yàn)樾纬稍谡惩林g的雙分子化合物不穩(wěn)定;而在聚合醇與KCl共存時(shí),則主要以致密單分子結(jié)構(gòu)定向排列在粘土層間,穩(wěn)定性大增,能夠有效控制泥頁(yè)巖井壁穩(wěn)定。

        2.1.2 濁點(diǎn)效應(yīng) 另一方面,聚合醇還具有濁點(diǎn)效應(yīng)。其分子結(jié)構(gòu)中含有的聚氧乙烯基團(tuán)具有較強(qiáng)的親水性,而聚氧丙烯基團(tuán)則具有較強(qiáng)的疏水性,兩者根據(jù)不同比例的調(diào)節(jié)可以改變聚合醇性能,使之對(duì)溫度較為敏感,并隨著溫度的升高,疏水性增強(qiáng)引起溶解度降低從而在水溶液中以微乳液形式析出,表現(xiàn)出濁點(diǎn)效應(yīng)。這一現(xiàn)象賦予了聚合醇良好的潤(rùn)滑性能、封堵性能和抑制性能。以微乳液形式存在的聚合醇會(huì)吸附在鉆屑和泥頁(yè)巖井壁表面形成疏水膜,起到抑制頁(yè)巖表面水化的作用;同時(shí)還具備良好的潤(rùn)滑性能,能夠降低鉆具與井壁之間的摩阻;另外微乳液尺寸一般在納微米級(jí),可以有效封堵致密性地層的孔喉,起到一定封堵作用。而當(dāng)溫度下降到濁點(diǎn)以下時(shí),原先析出的聚合醇乳液又開始溶解,這保證了聚合醇在鉆井液中循環(huán)上返時(shí)不會(huì)被振動(dòng)篩和其他固控設(shè)備除去。

        2.2 聚合醇的研制與優(yōu)選

        稱取一定的丙三醇與NaOH、催化劑、擴(kuò)鏈劑加入到三口燒瓶中,邊攪拌邊通少量水溶解,不斷通入N2排空氧氣,邊攪拌邊升溫至120~140℃,保持反應(yīng)30min后,繼續(xù)通入一定量乙二醇恒定反應(yīng)1h,反應(yīng)結(jié)束,用酸中和殘余堿,將產(chǎn)物進(jìn)行過(guò)濾,并加入一定量消泡劑混合均勻,得到最終產(chǎn)物即為所需的聚合醇。

        通過(guò)上述反應(yīng),適當(dāng)改變?cè)霞恿亢铣闪?個(gè)樣品聚合醇PCA-1~聚合醇PCA-5,按1.3.1中要求配制搬土漿,分別加入3%聚合醇樣品,測(cè)定基漿中的潤(rùn)滑系數(shù)及其水溶液和12%NaCl+6%KCl鹽水溶液中的濁點(diǎn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

        表1 聚合醇樣品優(yōu)選Tab.1 Polymer alcohol sample preference

        從表1中可以直觀的看出,聚合醇PCA-5的潤(rùn)滑系數(shù)降低率最高,起泡率最低,抗鹽性最佳;其中聚合醇PCA-1潤(rùn)滑性好,但抗鹽性差,鹽水溶液中濁點(diǎn)大幅度下降;聚合醇PCA-3抗鹽性好,但潤(rùn)滑差,起泡率高。綜合考慮,優(yōu)選聚合醇PCA-5為最佳配比的聚合醇樣品。

        2.3 聚合醇對(duì)鉆井液性能影響評(píng)價(jià)

        室內(nèi)按照1.3.2配制現(xiàn)場(chǎng)模擬鉆井液,加入不同加量的聚合醇PCA-5,在一定溫度下老化16h后,分別評(píng)價(jià)其對(duì)流變、潤(rùn)滑、抑制、封堵性能的影響。

        2.3.1 對(duì)流變性的影響

        表2為六速旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)評(píng)價(jià)流變性的數(shù)據(jù)。

        表2 聚合醇對(duì)鉆井液流變性影響評(píng)價(jià)Tab.2 Evaluation of rheological effects of polyalcohol on drilling fluid

        表2結(jié)果表明,聚合醇PCA-5加入到鉆井液中后其粘切變化微小,表明該劑對(duì)體系的流變性影響較小,表現(xiàn)出良好的配伍性。

        2.3.2 對(duì)潤(rùn)滑性的影響 室內(nèi)評(píng)價(jià)了不同加量下的聚合醇對(duì)含鹽鉆井液潤(rùn)滑性的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

        表3 聚合醇對(duì)鉆井液潤(rùn)滑性能影響Tab.3 Effect of polymer alcohol on the lubrication performance of drilling fluid

        表3結(jié)果表明,空白泥漿的潤(rùn)滑系數(shù)與溫度關(guān)系并不大;而加了聚合醇PCA-5的泥漿在濁點(diǎn)溫度以下時(shí)潤(rùn)滑性能改善有限,3%加量下潤(rùn)滑系數(shù)降低率僅13.2%;在濁點(diǎn)溫度以上時(shí)潤(rùn)滑性能顯著增強(qiáng),3%加量下潤(rùn)滑系數(shù)降低率達(dá)到46.2%,且其抗鹽性良好。

        2.3.3 對(duì)抑制性的影響 取6~10目的模擬泥巖鉆屑,分別加入到不同加量聚合醇的鉆井液中,通過(guò)滾動(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)其抑制性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

        表4 聚合醇對(duì)鉆井液抑制性能影響Tab.4 Effect of polyalcohol on drilling fluid inhibition performance

        表4結(jié)果表明,空白泥漿本身含較多無(wú)機(jī)鹽,具有一定抑制泥巖鉆屑分散的能力,但仍然不夠;加入聚合醇PCA-5后,在濁點(diǎn)溫度以下時(shí),由于聚合醇的吸附效應(yīng),其與KCl產(chǎn)生了協(xié)同作用,抑制性得到提高,并隨著加量增加而逐漸增強(qiáng);在濁點(diǎn)溫度以上時(shí),吸附效應(yīng)和濁點(diǎn)效應(yīng)同時(shí)起作用,抑制性得到進(jìn)一步加強(qiáng)。

        2.3.4 對(duì)封堵性的影響 室內(nèi)通過(guò)高溫高壓PPT封堵實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)了聚合醇的封堵效果,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。

        表5 聚合醇對(duì)鉆井液封堵性能評(píng)價(jià)Tab.5 Evaluation of plugging performance of drilling fluid with polymer alcohol

        表5結(jié)果表明,空白泥漿高溫高壓濾失量FLHTHP>10mL,且100℃下測(cè)試的濾失量大于60℃下測(cè)試的濾失量。當(dāng)加入聚合醇PCA-5之后,在濁點(diǎn)溫度以下時(shí),F(xiàn)LHTHP降低率很??;而在濁點(diǎn)溫度以上時(shí),F(xiàn)LHTHP降低率顯著提高,3%聚合醇PCA-5加量下FLHTHP僅7.8mL。這說(shuō)明聚合醇在濁點(diǎn)溫度以上析出后,對(duì)沙盤孔喉起到了有效封堵,降低了濾失量。

        3 結(jié)論

        (1)室內(nèi)采用丙三醇、乙二醇等多元醇為原料制備了5種不同濁點(diǎn)的聚合醇,并通過(guò)性能評(píng)價(jià)篩選出聚合醇PCA-5為最優(yōu)產(chǎn)品,3%聚合醇PCA-5水溶液濁點(diǎn)為 87℃,鹽水溶液(6%KCl+12%NaCl)濁點(diǎn)為72℃,抗鹽性能良好。

        (2)聚合醇PCA-5與鉆井液配伍性良好,對(duì)流變性影響較小。

        (3)聚合醇PCA-5兼具良好的潤(rùn)滑、抑制和封堵性能。鉆井液中加入3%聚合醇PCA-5,當(dāng)溫度在濁點(diǎn)以上時(shí),潤(rùn)滑性方面,潤(rùn)滑系數(shù)從0.1538降低至0.0828,降低率達(dá)到46.2%;抑制性方面,滾動(dòng)回收率從70.8%提高到96.1%,提高率達(dá)到35.7%;封堵性方面,高溫高壓濾失量FLHTHP從12.6mL降低至7.8mL,降低率達(dá)到38.1%,效果顯著。

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