凝胶型钻井液提切剂性能评价与作用机理.pdf

第 3 3 卷 第 4期 2 0 1 1年 7月 石 油 钻 采 工 艺 OI L DRI LL I NG PRODUCTI ON TECHNOLOGY V0 1 ． 33 No ． 4 J u l y 2 0 1 1 文章编号 1 0 0 0 7 3 9 3 2 0 1 1 0 4 0 0 4 8 0 4 凝胶型钻 井液提切剂性能评价与作用机理 谢水祥 蒋官澄 陈 1 ． 中国石油大学石油工程教 育部重 点实验 室， 北京 勉 毛 慧 王 飞 刘传清 1 0 2 2 4 9 ； 2 ． 胜利石 油管理局海洋钻井公司 ， 山 东东营2 5 7 0 5 5 摘要常规的钻井液提切剂 如 H V - C MC 、 HE C等 已不能满足无固相钻井液新体系性能和环保要求， 使用后存在潜在的 环境污染风险， 为此， 以生物聚合物为主要原料， 采用表面活性剂活化、 复合等工艺制备得到了一种新型弱凝胶提切剂。进行了 新型提切剂的性能评价和作用机理研究， 并在塔里木轮南油田进行了成功应用。试验结果表明， 新型提切剂具有优 良的抗盐、 抗温性能和高剪切速率黏度 在 0 _ 3 r ／ mi n的剪切速率下， 黏度达9 0 0 0 0mP a S 以上 ， 携岩能力强， 可生物降解， 无毒， 满足了钻 井工程要求和环保要 求。 关键词 无固相钻井液 ；弱凝胶 ； 提 切剂 ；制备 ；机理 中图分 类号 T E 2 5 4 文献标识码 A Eva l ua t i o n a nd me c ha n i s m o f g e l s he a r s t r e n g t h i mpr o v i ng a g e n t f o r dr i l l i ng flu i d X I E S h u i x i a n g ， J I A NG G u a n c h e n g ， C H E N Mi a n ， MA0 H u i ， W A N G F e i ， L I U C h u a n g q i n g 2 1 ． MO E Ke y L a b o r a t o r y o fP e t r o l e u m E n g i n e e r i n g ， C h i n a U n i v e r s i ty o f Pe t r o l e u r n ， B e ij i n g 1 0 2 2 4 9 ， C h i n a ； 2 ． O ffs h o r e Dr i l l i n g C o m p a n y ， S h e n g l i P e tr o l e u m A d mi n i s t r a t i o n B u r e a u ， Do n g y i n g 2 5 7 0 5 5 ， C h i n a Ab s t r a c t Co n v e n t i o n a l s h e a r s t r e n g t h i mp r o v i n g a g e n t ss u c h a s HV- C MC a n d HECc a n n o t me e t t h e n e e d o f s o l i d s f r e e d r i l l i n g fl u i d s a n d e n v i r o n me n t a l p r o t e c t i o n ， d u e t o t h e i r p o t e n t i a l e n v i r o n me n t a l p o l l u t i o n ． F o c u s i n g o n t h e s e i s s u e s ， t h e b i o p o l y me r wa s u s e d i n t h i s p a p e r a s t h e ma j o r ma t e r i a l ， the n o v e l we a k l y g e l l e d s h e a r s t r e n g t h i mp r o v i n g a g e n t wa s d e v e l o p e d a ft e r a c t i v a t i n g ， c o mp o u n d i n g ， a n d o t h e r t e c h n o l o g y i n s u r f a c t a n t s ． Th e wo r k i n g me c h a n i s m a n d p e r f o r ma n c e o f t h e n o v e l we a k l y g e l l e d s h e a r s t r e n g t h i mp r o v i n g a g e n t wa s e v a l u a t e d ． Th e d e v e l o p e d a g e n t wa s a p p l i e d i n T a fi m o i l fi e l d s u c c e s s ful l y ． L a b r e s e a r c h a n d fi e l d a p p l i c a t i o n s h o we d tha t t h e we a k l y g e l l e d s h e a r s tr e n g t h i mp r o v i n g a g e n t h a s e x c e l l e n t t e mp e r a mr e a n d s a l i n i t y t o l e r anc e s ， a n d i t h a s s u p e r i o r v i s c o s i t y a b o v e 9 0 0 0 0 mp a S a t 0 ． 3 r ／ mi n． At t h e s a me t i me ， i t i s e x c e l l e n t i n c a r r y c u t t i n g s ． I t i s b i o d e g r a d a b l e a n d i n n o c u o u s ， w h i c h s a t i s f y w i th t h e d e ma n d o f d r i l l i ng e ng i n e e r i ng a nd e nv i r on me n t a l pr o t e c t i o n． Ke y wor ds s ol i ds f r e e d r i l l i ng flui d；we a k g e l ；s h e a r s t r e ng t h i mp r ov i ng a g e nt ；p r e pa r a t i o n； me c ha ni s m 钻井液技术随着石油钻探技术的不断发展而不 断进步。目前研究较多的是无 固相钻井液 ， 无 固相钻 井液是一种不含黏 土、 含有一定化学抑制剂 用于抑 制地层造浆 、 密度接近于清水的钻井液体系。该体系 的优点是密度低， 能大大提高钻头高效破岩能力 ； 缺 点是悬浮性差， 使用不当易引起沉沙卡钻。目前 ， 国内 的无固相钻井、 完井液主要研究方 向为 1 甲酸 盐无固相钻井完井液； 2 无固相盐水聚合物钻井液完 井液 ； 3 F A3 6 7 ／ KC 1 无 固相钻井完井液； 4 无 固相 正电性钻井完井液； 5 无固相有机盐钻井完井液等。 但无固相钻井液需要高效提切剂以保证钻井液体系 优 良的流变性能和携岩能力 。常规钻井液提切剂不 能满足无 固相钻井液体系所要求 的低剪切速率高黏 度 的要求 ， 同时这些聚合物提切剂大多难以生物降 基金项 目国家杰 出青年科 学基金 编号 5 0 9 2 5 4 1 4 、 “ 十一五 ”国家科技 支撑课题 编号 2 0 O 8 B Ac 4 3 B 0 2 。 作者简介 谢水祥 ， 1 9 7 8年 生。在读博 士研 究生， 主要研 究方 向为油田化 学、 废 弃钻 井液处理 与资 源化利用 等。电话 0 1 0 ． 8 9 7 3 2 2 3 9 。 E ma i l h b x s x 1 6 8 1 2 6 ． c o m。 谢水祥等凝胶 型钻井液提切剂性 能评价与作 用机理 4 9 解 ， 使用后对环境污染大 。如有机盐钻井液 ， 采 用 HE C为提切剂 增黏剂 ， 成本较高 ， 同时难生物 降解 ； 硫 酸钾钻井液体系 ， 采用 H V - P AC为提切剂 ， 加量大 ， 使用后也存在难生物降解 问题 。因而 ， 迫切 需要开发新 型环保无 固相钻 井液用提切剂 ， 以满足 无固相钻井液新体系的需要。 1 弱凝胶提切剂GE L ． 3 0 的制备 以天然生物聚合物 为主要原料 ， 将生物聚合物 加入到表 面活性剂水溶液中， 进行活化反应 ， 并与纤 维素改性物 、 抗高温氧化剂 等复合 制备得 到弱凝胶 提切剂。制备步骤如下。 1 在 1 4 2 ． 5 mL水 中加入 7 ． 5 g表面活性剂 ， 配 制得到 5 ％ 表面活性剂水溶液 ； 2 将 1 5 0 g 、 5 ％的表面活性剂水溶液加入到反 应 釜中， 边搅拌边加入 1 0 0 g生物聚合物 ， 在 8 O ～ 9 0 ℃温度下 ， 活化反应 6 ～ 8 h ； 3 活化后产品经 1 0 5℃烘干 、 粉碎及过 2 0 0目 筛后 ， 得 中间产 品； 4 将活化反应所得 中间产品与纤维素改性物或 淀粉改性物和抗高温氧化剂进行复合 ， 利用 中间产 品与其他原料间的协同效应 ， 得到最终产品。 2 性能评价方法 2 ． 1 成胶性能 在 2 0 0 mL烧杯 中加入 9 8 mL水 ， 开启搅拌器 ， 转速 3 0 0 0 r ／ mi n ， 边搅拌边加入 2 ． 0 g弱凝胶提切剂 GE L 一 3 0 ， 待产品完全加入后 ， 继续搅拌 1 0 mi n ， 静置 ， 观察和记录产品的成胶时间和状态 。 2 ． 2 抗盐抗温性能 量取 3 6 0 mL蒸馏水 ， 加入 4 0 g氯化钠 ， 充分溶 解均匀， 即成 1 0 ％ N a C 1 盐水溶液， 置于高搅杯中。向 高搅杯中先加入 1 ． 0 g碳酸钠 ， 在转速为 1 0 0 0 0 r ／ mi n 条件下 ， 加入 8 ． 0 g弱凝胶提切剂 GE L 一 3 0 ， 高速搅拌 转速 1 0 0 0 0 r ／ mi n 2 0 mi n后 ， 于室温下密闭水化 4h ， 再高速搅拌 5 mi n ， 放入滚子炉中， 在 1 6 0℃下 ， 恒温 滚动 1 6 h后 ， 取出冷却至室温 ， 再高速搅拌 5 mi n后 ， 按 GB ／ T 1 6 7 8 3 ． 1 2 0 0 6的规定在六速旋转黏度计上 测定样 品溶液的 4 6 0 0 “ 。 。 、 4 1 0 0 “ 、 ， 的黏度 、 动 切力及 1 0 S 、 1 0 mi n的静切力 ， 用 DV - I I 黏度测定仪 测定 0 ． 3 r ／ mi n的低剪切速率黏度 。 2 ． 3 可生物降解性 以 BO D 生物耗 氧量 ／ C OD 4 L学耗氧量 作 为评 价 指标 先分 别评 价 弱凝 胶 提切 剂 G E L 一 3 0的 B O D 和 C OD， 然后计算二者的比值。 2 ． 4 急性 生物 毒性 在 9 8 mL蒸馏水 一级 中加入 2 ． 0 g弱凝胶提 切剂 GE L 一 3 0 ， 配制得到 2 ％水溶液 ， 然后按照 G B ／ T 1 5 4 4 1 1 9 9 水 质急性 毒 性 的测定发 光 细菌 法 测定弱凝胶提切剂 GE L 一 3 0 溶液 的急性生物毒 性 E C 5 0 值。 3 结果 与分析 3 ． 1 成胶性能评价 评 价 了弱凝 胶提切 剂 GE L 一 3 0的成 胶性能 ， 并 与油 田常用 的增黏剂 提切 剂 HV - C MC、 H E C及 国内新 型提切剂 P F ． P R D、 HF 一 1 进行 了性能对 比， 见 表 1 。 表 1 提切剂成胶时问对比评价 由表 1 可以看 出， 弱凝胶提切剂 GE L 一 3 0与普通 提切剂 HV - C MC、 H E C相 比， 它 同时具 有凝胶 和提 切剂 的特点 ， 最突出的特点是 G E L 一 3 0不需要加入任 何交联剂 ， 在水溶液状态下就可以凝胶 ， 且成胶时间 短。提切剂 P F ． P R D也可 自身成胶 ， 但成胶时 间较 GE L 一 3 0长。提 切剂 HF 一 1在加交 联剂重 铬酸钾 3 0 mi n后 ， 仍无成胶迹象。 3 ． 2 抗温抗盐性能评价 弱凝胶提切剂可用于无 固相及常规水基钻井完 井液中， 其抗温、 抗盐及携岩能力至关重要。考察 了 G E L 一 3 0 在常温盐水及高温盐水中的流变性能， 特别 是在低剪切速率 0 - 3 r ／ rain 下的黏度。实验条件 1 0 ％Na C 1 水溶液 、 1 6 0℃、 1 6 h ， 评价结果见表 2 。 表 2 提切剂抗 温抗盐性能对比评价 提切 剂 AV PV Y P 静切 力 ／ P a 低剪切速率黏度 ／ mP a ‘ s／ mP a 。 s ／ P a 1 0 S 1 0 mi n ／ mP a ‘ S GEL一 3 0 40． 5 21．0 1 9． 5 6．5 8． 0 9 2 45 0 HV． CM C 1 3． 5 8 ． 0 5． 5 1． 5 2． 0 20 78 HEC 22． 5 1 3．0 9 ． 5 2． 5 3．0 36 20 PF PRD 34． 0 1 9．0 1 5． 0 3． 0 6．0 2 0 07 6 HF l 31 ． 0 2 2． 0 9 ． 0 2． 5 6． 5 4 450 表 2 表 明， G E L ． 3 0 具有优 良的抗盐和抗温性能 。 同时 ， 在低剪切速率下具有很高的黏度 ， 为常规提切 5 0 石油钻采工艺2 0 1 1 年 7月 第 3 3 卷 第 4期 剂 H V - C MC、 HE C的 2 5 ～ 4 5 倍 ， 携砂能力强， 满足了 水平井 、 分支井及超深井等复杂井钻井 的工程要求。 与 P F ． P R D、 HF 一 1 相 比， G E L 一 3 0的抗 盐抗 温性均优 于两者 ， 老化后 ， G E L 一 3 0的低剪切速率黏 度分别 为 P F P R O和 H F 一 1的 4 ． 6倍和 2 0 ． 7 倍。 3 ． 3 环保性能评价结果 考 察 了 弱 凝 胶 提 切 剂 G E L ． 3 0及 H V - C MC、 HE C、 P F ． P R D及 HF 一 1的可生物降解性 和急性生物 毒性 2 个重要环保指标 ， 实验结果见表 3 。 表 3 提切剂可生物降解性和生物毒性对比评价 参 照 相 关 分 级 标 准 由 表 3可 以看 出， G E L ． 3 0可生物降解性优于其他 4种提切剂 ， 可生物 降解指标 B O D ／ C O D≥0 ． 2 ， 无毒 ， 急性生物毒性 E c 铀 ≥1 0 0 0 0 0 mg m， 可满足钻井环保要求。 4 弱凝胶提切剂G E L ． 3 0 的作用机理 常规凝胶 的形成条件 主要依赖于交联剂 ， 聚合 物通过与交联剂的作用在一定温度和一定时间下成 胶 。GE L 一 3 0是一种快速弱凝胶体系， 与常规凝胶 的 形成机理不 同， 它是利用聚合物之间的协同效应 ， 而 不加交联剂 ， 成胶温度和成胶 时间要求低 ， 所形成的 弱凝胶具有独 特的流变性 ， 具体表现在 低浓度溶 液具有高黏度 的特性 ， 是一种 高效增稠剂 ；具有 良 好的抗剪切性 假塑性 ， 在静态或低剪切作用下具 有高黏度 ， 在高剪切作用下表现为黏度下降 ， 但分子 结构不变；当剪切作用消失后黏度恢复正常。 借助红外光谱仪 F T I R． 7 6 0 0型 对弱凝胶提切 剂 GE L ． 3 0的作用机理进行 了分析 ， 发现 GE L ． 3 0分 子结构中含有羟基 一 0H 、 甙键 、 醚氧基 一 O一 和 糖环等结构官能团。GE L ． 3 0的提切 增黏 作用是 由于成分 中含有纤维素改性物 ， 其分子链卷 曲盘旋 呈螺旋状 ， 分子间内聚力较小 ， 小分子容易渗透到纤 维素改性物 的分子间去， 使其溶涨和溶解。纤维素 改性物分子中含有较多的羟基 一 OH 、 甙键和醚氧 基 一 O一 ， 它们能与黏粒上的氧和氢氧进行氢键吸 附 ， 而强水化基 团可使黏粒表面的溶剂化膜增厚 ， 电位提高。另外 ， 由于 GE L ． 3 0 水溶液 的黏度较高 ， 它能提高钻井液 中自由水的黏度和降低滤饼 的渗滤 作用 ， 故加入到钻井液后能大大降低滤失量。 G E L 一 3 0 具有凝胶作用是由于成分中含有经表面 活性剂活化后的生物聚合物， 其分子链 具有特殊的 形态和构象。在水溶液 中有的分子链呈 自由卷曲状 态 ， 但在大多数情况下 ， 由于大分子 内部氢键的存在 而成双螺旋麻花状 的立体构型 ， 进而有序地排列成 聚合体结构 ， 这种聚合体又叫超会合结构。这种立体 构型在温度和剪切速率的变化下可以互相转化。静 止时 ， 分子链形成超会合的聚合体 ， 形成弱凝胶， 特性 黏度高； 在高剪切速率下， 聚合体离解， 分子链恢复 自由卷曲状态 ， 特性黏度下降 ， 恢复 良好流变性 。 5 现场应用 针 对塔 里木 油 田轮南 区块 地层 特点 ， 进行 了 室 内无 固相钻井 液配方优选 实验及与提切 剂 H V - C MC、 HE C、 P F ． P R D、 H F 一 1 的对 比评价试验 ， 评价的 无固相钻井液配方如下。 1 撑 4 0 0 mL 自 来 水 6 ． 0 ％KC 1 2 0 ％Na C 1 7 ％Ca C1 2 0 ． 1 2 ％Na OH1 ％GEL一 3 0 2． 0 ％PEG 1 ． 0 ％DR H 0 ． 3 ％C MC． L V；配方 2 - 5 ， 则 是将 1 ％ G E L． 3 0分 别 替 换 为 1 ％HV C MC、 1 ％H E C、 1 ％ P F ． P R D和 1 ％HF 一 1 ， 其他成分与加量均与 1 撑配方 相 同， 各配方钻井液性能见表 4 。 表 4 室 内无 固相钻井液性能 项 目 密度 ／ g c m 1 ． 1 6 1 ． 1 6 1 ． 1 6 1 ． 1 6 1 ． 1 6 漏 斗黏 度 ／ s 6 0 5 0 5 3 5 8 6 5 AV ／ mP a S 4 5 ． 5 3 2 ． 0 3 5 ． 0 3 9 ． 5 4 9 ．0 P mP a s 2 5 ． 0 2 1 ． 0 2 3 ． 0 2 1 ． 0 2 6 ． 0 ， ／ P a 2 0 ． 5 I 1 ． 0 l 2 ． 0 1 8 ． 5 2 3 ．0 1 0 S静 切 力 ／ Pa 4 ． O 3 ． O 3 ． O 3 ． 5 6 ． O 1 0rai n静 切 力 ／ P a 9 ．0 4 ．0 5 ． 0 6 ． 0 1 2 ． 0 低剪切 速率黏度 ／ m P a S 6 4 2 1 0 3 6 8 1 2 2 4 3 3 2 1 0 6 4 4 1 8 FLA P I ／ mL 2． 4 6 ． 4 5．0 3． 0 2． 0 滤饼 厚 ／ mm 0 ． 5 0 ． 5 0 ． 5 0 ． 5 0 ． 5 凡 ／ mL 9．O l 8． 0 1 2． O 1 0． 0 9．0 滤饼厚 ／ mm 1 ． O 1 ． 0 1 ． O 1 ． 0 1 ． 0 润滑 系数0 ． 0 8 7 5 0 ．0 8 7 5 0 ． 0 8 7 5 0 ． 0 8 7 5 0 ． 0 8 7 5 pH 7 7 7 7 8 由表 4可以看 出， l 群无固相钻井液具有优 良的 流变性能和较高的低剪切速率黏度 ， 且优 于其他钻 井液配方性能 ， 满足了钻井工程要求。4 群配方低剪 切速率黏度也较高， 但失水量较 1 j fj} 配方大； 5 ≠ ≠ 配方 表观黏度、 动切力等优 于 1 ≠ ≠ 配方 ， 但低剪切速率黏 谢水祥等凝胶型钻井液提切剂性能评价 与作 用机理 5 1 度远低于 1 配方 ， 携岩能力较 1 群配方弱 。 通过室内配方优化实验 ， 确定了 L N 2 一 H8 井采用 1 ≠ } 无 固相 钻井 液配 方 4 0 0 mL水 6 ． 0 ％ K C l 2 0 ％ Na Cl 7 ％ Ca C1 2 0 ． 1 2 ％ Na OH1 ％ GEL一 3 0 2 ． 0 ％ P E G I ． 0 ％DR H 0 ． 3 ％C MC L v。 现场试验结果表明 在井深超过 4 0 0 0 m、 井底温度 1 5 0 o C以上情况下 ， 该 好地解决了以往无 固相钻井液高温状态下 由于聚合 物 的降解 而造成的降黏问题 ， 携岩能力强 ， 保证 了钻 井施工安全顺利 ， 同时， 与常规聚磺钻井液相比， 无 固 相钻井液外观为乳 白色 ， 环保性能优于聚磺钻井液。 现场无 固相钻井液性能见表 5 ， 可 以看出， 加入弱凝 胶提切剂 GE L - 3 0的无 固相钻井液体系在现场使用 体系仍具有热稳定性好 、 抗温抗盐能力强等特点 ， 很 中流变性能良好 ， 满足 了钻井工程要求 。 表 5 L N2 ． 3 3 ． H8 水 平井现场无 固相钻井液性 能 1 撑配方 6 结论 1 以生物聚合物为主要原料 ， 研制 了一种新型 弱凝胶提切剂 G E L 一 3 0 ， 具有弱凝胶特性 、 低剪切速 率黏度高、 抗温抗盐性好、 无毒及可生物降解等特 点 ， 满足了钻井工程和环境保护要求 。 2 在塔里木油 田轮南区块 多 口井进行 了应用 ， 结果表 明在井深超 过 4 0 0 0 m、 井底温度在 1 5 0 o C 以上的情况下 ， 该体系仍具有热稳定性好 、 抗温抗盐 能力强、 携岩能力强等特点 ， 保证 了钻井施工安全顺 利 ， 具有 良好 的技术经济效益 ， 且环保性能优于常规 聚磺钻井液 。 3 初步探讨了新型弱凝胶提切剂 G E L ． 3 0 的作 用机理 ， 为产品的性 能改进 和新 型无 固相钻井液提 切剂的研制提供了技术参考 。 参考文献 [ 1 ] 任学军 ． 无土相水平井钻井液体 系的开发 [ J ]． 华北 科技学院学报 ， 2 0 0 5 ， 2 2 5 5 - 5 8 ． [ 2] 张斌 ， 杜小勇， 杨进 ， 等 ． 无圊相弱凝胶钻井液技术 [ J ] ． 钻 井液与完井液 ， 2 0 0 5 ， 2 2 5 3 5 3 7 ． [ 3] 罗文利， 吴肇亮， 牛亚斌 ． 胶 态分散凝胶研究的新进展 [ J ]． 油田化学， 1 9 9 9 ， 1 6 2 1 8 8 ． 1 9 4 ． [ 4] 窦红梅， 雷建平， 黄名召 ． 保护低压油气藏的钻井液技 术研究 [ J ]． 钻井液与完井液， 2 0 0 4 ， 2 1 2 1 8 ． 2 2 ． [ 5 ] 黄蕾 ． 钻井油气层保护提 高了勘探开发效益 [ J ]． 钻 井液 与充井液 ， 2 0 0 3 ， 2 0 3 5 2 5 3 ． [ 6] 杨 贤友 ． 保护油气层钻井完井液现状与发展趋势 [ J ]． 钻井液与完 井液 ， 2 0 0 0 ， 1 7 1 2 5 3 0 ． [ 7] 韩振平 ． P K M 型钻井完井液的研制与应用 [ J ]． 石油 钻探技 术 ， 2 0 0 0 ， 2 8 4 2 2 ． 2 3 ． [ 8] 张岐安， 徐先国， 付建 国， 等 ． 有机盐钻井液在水平井 B HW0 1井的应 用 [ J ]．石油钻 采工艺， 2 0 1 0 ， 3 2 2 34 37． [ 9] 唐代绪， 刘保双， 薛玉志， 等 ． 埕北 3 0潜山油藏保护油 层钻 井液技 术 [ J ]． 钻 井液与 完井液， 2 0 0 3 ， 2 05 3 2． 3 7． [ 1 0] 张丹阳， 耿晓光， 周大宇， 等 ． 无固相钻井液的室内实 验研究 [ J ]． 钻井液与完井液， 2 0 0 9 ， 2 6 3 3 8 4 0 ． [ 1 1 ] 匡立新， 蒋国盛， 宁伏龙 ， 等 ． 米泉区块井壁稳定性分 析及钻 井液 的优 选 [ J ]． 石 油钴采工艺 ， 2 0 1 1 ， 3 3 1 3 8 - 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