非酸性氧化型复配钻井液滤饼清洗剂的研究.pdf

第 3 1 卷 第 2期 2 0 1 4年3月 钴井 液与 完井 液 DRI L LI NG F L UI D C0MP LE TI ON F L UI D V _o 1 ． 3 l NO ． 2 M a r ,2 0l 4 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 1 5 6 2 0 ． 2 0 1 4 ． 0 2 ． 0 1 3 非酸性氧化型复配钻井液滤饼清洗剂的研究 朱启武 ， 何笑薇 ， 周永璋 ， 叶琴琴 ， 何莲 1 ． 南京工业大学环境学院，南京 ； 2 ． 新乡职业技术学院，河南新乡 朱启武等 ． 非酸性氧化型复配钻井液滤饼清洗剂的研究 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 1 4 ，3 1 2 4 7 5 0 ． 摘要针对滤饼清洗的特点，开发出一种新型的非酸性氧化型复配清洗剂，其主剂wJ F 一 7为 自行研制的一种有 过氧化物．其与高分子量聚合物接触时可产生氧自由基来氧化聚合物，使聚合物断链变为小分子的有机物而失去黏性 并将聚合物包裹轱附的膨润土、细 目碳酸钙等无机物释放出来以便于清洗。通过利用 自制的滤饼清洗装置进行研究 得到的最佳清洗液配方为 水 3 ％WJ F ． 7 3 ％Na OH 0 ． 0 3 ％十二烷基苯磺酸钠 0 ． 5 ％ 三聚磷酸钠．用其清洗后滤饼f 失 牢最高达 9 7 ． 2 1 ％； 得到的最佳清洗工艺 清洗时间为 1 h ，清洗流速为 O _ 3 0 m／ s ，温度 为7 0 滤饼清洗烘干后 通过做表面形貌的S E M和 E D S分析，研究了清洗的机理。 关键词 钻井完井液 ； 滤饼清洗 ；失重率 ； S E M ； E DS 中图分类号T E 2 5 4 ．4 文献标识码A 文章编号 1 0 0 1 5 6 2 0 2 0 1 40 2 ． 0 0 4 7 0 4 目前使用最 广泛的滤饼化学清洗剂 主要 有乳液 型 、酸性和氧化型清洗剂。乳液型清洗剂由于含有大 量的有机溶剂，不但成本高，对环境及操作人员健康 有害，而且该技术一般只适用于解除单项的有机沉积 引起的近井地带堵塞 ； 酸洗是目前应用较多的一种技 术 ，但对于酸敏储层不能采用酸化方法清除滤饼 ，同 时对于一些有机高分子，酸洗效果并不理想 ； 氧化型 清洗剂通过氧化作用使聚合物分子变小，使其失去桥 连和附着作用 ，从而将致密 、坚韧 的滤饼变为松散 、 破碎结构，使滤饼及同相易于被流体返排出来，同时 氧化型解堵液比酸化液的腐蚀性小得多，但单纯的氧 化型清洗剂对现有的钻井液滤饼清除效果并不理想。 结合工艺的实际运行状况，针对滤饼清洗的特点，研 究开发出了新型的非酸陛、氧化型复配清洗剂来高效 清除滤饼 [ 1 - 6 ] 。 1 室 内实验 1 ． 1 钻 J I 完J 1 液 组成 水 5 ％ 膨 润 土 0 ． 2 5 ％ 纯 碱 0 ． 5 ％C MC 1 ％ ～ 1 ． 5 ％ HF T - 2 0 1 0 ． 5 ％NH 一 HP AN 1 ． O ％ ～ 1 ． 5 ％ S A S I ％H MP ． III 1 ％钻井液用封堵剂 2 ％细 目碳 酸钙 1 ． 2自制 清洗液 配 方 wJ F ． 7为 自制的有机过氧化物 ，与钻井液 中的高 分子量聚合物接触时可产生氧 自由基来氧化高分子量 聚合物 ，使高聚物断链变为低分子量的有机物而失去 黏性，从而将高聚物包裹黏附的膨润土、细目 碳酸钙 等无机填充物释放 出来 以便于清洗 ，因此可以提高清 洗效率和酸l生 清洗的溶蚀率。选用的配方如下，钻井 液滤饼清洗装置见图 1 。 罔 l 滤饼清洗装置原理示意罔 1 3 ％HC l 水 2 1 十 3 ％W J F ． 7 3 l 3 ％Na Cl 0 4 5 ％Na OH 水 第一作者简介 朱启武，现在从事金属腐蚀电化学研究。地址 江苏省南京市浦珠南路 3 0号南京工业大学环境学院 1 8 9信 箱 ；邮政编码 2 1 1 8 1 6；电话 1 5 0 7 7 8 7 5 7 1 1； E ma i l 5 1 0 9 7 1 8 9 7 q q ． c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 8 钻井液与 免 井液 2 0 1 4年 3月 5 3 ％WJ F 一 7 3 ％Na OH 0 ． 0 3 ％ 十 二 烷 基 二 苯 醚二磺酸钠 0 ．5 ％三聚磷酸钠 1 ．0 ％ N a C 1 0 水 6 3 ％WJ F 一 7 水 7 6 3 ％Na OH 8 7 1 ． 0 ％ Na Cl O 9 8 0 ．0 3 ％十二烷基二苯醚二磺酸钠 2 结果与讨论 2 ． 1 滤饼清洗配方的筛选 上述 9 种配方的清洗效果见表 1 。由此可知，对 聚合物钻井液滤饼清洗效果最佳的为 5 配方，失重 率超过 9 0 ％，满足规定的要求。考虑到十二烷基二 苯醚二磺酸钠不常用，供货商少，价格高 ； N a C 1 0 加入时 ，会产生气泡 ，导致包装桶严重变形 ； 十二烷 基苯磺酸钠既有渗透作用，又是常用的表面活性剂， 价格便宜，供应商多，因此用十二烷基苯磺酸钠代替 十二烷基二苯醚二磺酸钠，不加N a C 1 0进行清洗实 验，结果失重率为 9 6 ．0 5 ％，仅有微小降低。因此确 定最终清洗配方如下， 并以其作为研究滤饼清洗工艺 参数的基础配方。 水 3 ％WJ F 一 7 5 ％Na OH 0 ． 0 3 ％十二烷基苯磺酸 钠 0 ． 5 ％ 三聚磷酸钠 表 1 不同配方的清洗效果 配方失重率／ ％ 配方 失重率 配方失重率 1 3 8 ． 8 1 4 4 6 ． 7 7 7 9 0 - 3 2 2 7 9 ． 6 3 5 9 6 ． 7 0 8 9 2 ． 4 3 3 2 8 ． 9 1 6 8 8 ． 6 5 9 9 5 ． 0 6 2 ． 2 滤饼清洗配方的优化 1 Na O H浓度。Na O H浓度变化 对清洗效果 的 影响，结果如图 2 所示。 紫 9 8 9 7 9 6 9 5 9 4 9 3 9 2 N a O H 度／ ％ 图2 氢氧化钠浓度对清洗效果的影响 由图 2 可知，随着 N a O H浓度增加，失重率呈 先增大后降低的趋势，当N a O H浓度增加到 3 ％时， 失重率达最大值 9 7 ．2 1 ％ ，所以N a O H的最佳投配 浓度取 3 ％。 2wJ F 7浓度。考察 wJ F 一 7浓度变化对清洗效 果的影响 ，结果见 图 3 。由图 3可知 ，随着 wJ F ． 7 浓 度升高， 失重率也升高， 加入 wJ F 一 7的浓度为 3 ％时， 失重率达 9 6 ． 7 ％， 加入量继续增加时失重率升高有限， 考虑到清洗成本取 wJ F ． 7的浓度为 3 ％。因此最终确 定清洗配方如下。 水 3 ％WJ F 一 7 3 ％Na O H 0 ． 0 3 ％ 十二烷基苯磺 酸 钠 0 ．5 ％三聚磷酸钠。 9 7 ． 5 9 7 ． 0 9 6 ． 5 9 6 ． O 9 5 ． 5 9 5 ． O 9 4． 5 9 4 ． 0 9 3 ． 5 WJ F - 7 浓度 图 3 wJ F ． 7 浓度对清洗效果的影响 2 ． 3 滤饼清洗工艺参数的确定 1 清洗时间。由图4可以看出，滤饼在清洗 5 m i n 后有明显失重，随着清洗时间的延长，失重率升 高，到 6 0 m i n 时，失重率达到 9 6 ．7 0 ％，6 0 min 后失 重率变化不大，清洗时间确定为 6 0 m i n 。 98 9 6 92 94 9 o 88 8 6 0 l 0 20 3 0 4 O 5 O 6 0 7 0 8 0 清洗时间／ mi n 图4 清洗时间对清洗效果的影响 2清 洗流 速。 由图 5可知 ，失 重率 随转速 的 增 加而增加，当流速达到 0 ．3 0 m ／ s 时，失重率达 9 6 ． 7 ％，之后变化不明显，因此确定流速为 0 ．3 0 m ／ s 。 98 97 96 9 5 9 4 9 3 92 9 l 9 O 8 9 8 8 流速／ m ／ s 图 5 流速对清洗效果的影响 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 l 卷 第 2期 朱启武等非酸性氧化型复配钻 井液滤饼 清洗剂的研究 4 9 3清洗 温度。 由图 6可知 ，随着温度 的升高 ， 失重率总体呈增加趋势，失重率越大，温度越高越有 利于清洗 ，温 度超过 9 0℃后 反应溶掉 的滤纸较多 ， 因此确定清洗温度为 7 0 。 l O 2 1 o 0 98 褥9 6 1 1Ⅲ Il 9 4 9 2 9 0 8 8 8 6 清洗温度／ C 訇6 清洗温度对清洗效果的影响 3 清洗机 理分 析 0 钻 井完井液 中含有各种 高分子和生物高分子物 质 ，所含碳酸钙很少 ，因此酸性清洗剂只能清洗掉滤 饼里少量的碳酸钙 ，对高分子物质不能清洗 ，甚至使 高分子物质之间发生交联反应，而使得滤饼更加难以 洗去。这主要是因为滤饼中高分子物质的分子中含有 一 些特定的基团 ，这些基团与酸反应后形成更难清洗 的交联互穿聚合物网络，而在碱性条件下，这些聚合 物的酸性基团 例如羧酸根 、磺酸根 会与碱生成有 机盐，例如羧酸钠 、 磺酸钠，这些反应不但降低聚合 物之间交联的几率 ，而且能增加聚合物的水溶性 。 将制成的滤饼清洗一段时间后取出烘干，干燥后 做表面形貌的 S E M 研 究，结果见 图 7 。并同时做表 面的元素分析 E DS ，结果 见表 2 ～表 3 。 滤饼清洗前 滤饼清洗 1 5mi n后 罔 7 钻井液滤饼的典型 S E M 图片 结合图 7的 S E M 和表 2的 E DS分析可知 ，钻井 液制成滤饼后 ，表面 比较致密 ，大小颗粒相嵌 ，而且 由表 2的 E D S分析可知，在滤饼上主要是无机物富 集在表面，含有 C a 、S i 和少量 F e 、Al 、K的氧化物 ， 由原料可以推测，表面富集的 c a 可能是 C a C O ，S i 和其他少量金属离子可能来 自膨润土中。由于有机物 可能被包裹在无机物中形成骨架 ， 所以表面含量极少， 以致不能被 E DS检出。 表 2 钻井液滤饼清洗前后的 E DS分析结果 滤饼清洗前 滤饼清洗 1 5mi n后 一 原子物质 元素质 一一 原子物质 元素质 兀 索的量 比 ／ ％ 量 比 ／ ％ 兀素的量 比 ／ ％ 世 比／ ％ 0 2 8 ． 1 2 1 3 ． 9 6 C 5 9 - 3 9 5 O ． 7 7 AI 4 ． 6 5 3 ． 9 0 0 3 6 ． 0 0 41 ． 0 0 S i l 1 ． 0 5 9 ． 6 3 Na 2 ． 6 9 4．2 4 K 3 ． 8 3 4 ． 6 5 Al 0 ． 5 0 0 ． 9 6 Ca 4 6 ． 6 4 5 8 ． 0 0 S i l ． 5 2 3 ． 0 4 Fe 5 ． 7 0 9 ． 8 7 清洗 1 5 mi n后滤饼表面 的无机物大部分被清洗 掉 ，特别 是 C a CO ，由于 E DS检测是微 检测 ，在 表 2的 E DS分析 中，C a元素甚 至完 全消失 从 图 8 可 以看 出，实际上 C a仍有极少量存在 ，膨润土也 被大量除去 含有少量的 s i 等 。F} 1 于清洗 l 5 min 时，失重率在 9 0 ％左右，即滤饼中所含无机物的 量。由于无机物被洗去 ，因此在滤饼表面 显现出高分 子 的骨架来 ，这些高分子有机物是 C MC、H F T - 2 0 1 、 N H 一 H P A N、S A S和 H MP的混合、交联物。此时， 由于清洗时间较短 ，这些高分子有机物基本上比较连 贯，纵横交错，在高分子混合物表面吸附着一些小颗 粒，这些小颗粒有可能是膨润土等无机物。由于此时 表面基本上以有机物为主，因此 E D S的测试结果巾， 主要是 C、O元素，0元素的含量比清洗前的滤饼表 面还要高 ，这表 明高聚物 中含有 大量 羟基 、羧基和 醛基等有机基团 ，这些有机基团可能是原料如 NH 一 HP A N、C MC中原本就有的 ，也可能是清洗液巾强氧 化剂与滤饼 中高分子反应生成了这些含氧基团。 由图 8可以看 【叶 l ，清洗 3 0 mi n后 ，滤饼表面 的 高聚物层次感变得非常鲜 明，说明部分高聚物被清洗 掉 ，此时滤饼的表面形态主要是一些纤维状 的有机物 和分散的颗粒状物 ，失重 率为 9 5 ． 0 3 ％。在滤饼表 面 找到较大的颗粒状物 ，从 E DS分析可以看 出，除去 c元素外 颗粒旁边的高聚物 ，主要是 S i 和少量金 属元素，因此可以推断分散在表面的小颗粒物为膨润 土和膨润土上吸附的有机物 因为膨润土有极强的吸 附性 ，因此被清洗液 中强氧化剂断链的小分子有机物 和高分子易吸附在膨润土上 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 0 钻井液与 完井 液 2 0 1 4年 3月 当清洗 6 0 mi n后 ，滤饼 失重率 为 9 6 ． 7 ％，滤饼 基本被清洗掉 ，此时图 8中 S E M 的背景是滤纸的表 面形貌，滤纸上只有零星的颗粒物，该颗粒物为膨润 土和膨润土上吸附的有机物。 清洗 3 0mi n后 清洗 6 0mi n后 图8 滤饼清洗不同时间后的典型 S E M 图片 表 3 钻井液滤饼清洗不同时间后的E DS分析结果 滤饼清洗 3 0 mi n后 滤饼清洗 6 0 mi n 后 一 原子物质 元素质 一 腺于物庾 兀素质 兀素的量 比 ／ ％ 量比 兀素的量 比 ／ ％ 量 比 ／ ％ C 4 4 ． 5 2 3 1 ． 6 8 C 4 8 ． 7 0 3 8 ． 6 2 O 3 4 ． 0 8 3 2 - 3 O 0 3 8 ． 2 6 4 0 ． 41 Na 7 ． 7 5 1 0 ． 5 6 Na 9 ． 7 0 1 4 ． 7 2 M g 0 ． 4 6 0 ． 6 7 Al 0 ． 8 8 1 ． 5 7 A1 3 ． 0 1 4．8 2 S i 2 _ 3 0 4 ． 2 6 S i 7 ． 4 3 1 2 - 3 6 Ca 0 ． 1 6 0 ．4 2 Ca 1 ． 5 5 3 ． 6 9 Fe 1 ． 1 9 3．93 通过上述分析可 以得知 ，滤饼形成时含有的无机 物如 C a C O 和膨润土会优先富集在滤饼的表面。清 洗时，滤饼表面的C a C O 会先被洗掉，同时大部分 膨润土也被洗掉。然后高聚物渐渐地被洗去，强氧化 剂的作用将使高聚物断链并生成大量含氧基团，使其 亲水性大大提高，最终变成极性小分子被洗掉。 4 结论 1 ． 钻井液滤饼的最佳清洗配方为 水 3 ％ WJ F ． 7 3 ％ N a O H 0 ．0 3 ％十二烷基苯磺酸钠 O ． 5 ％三聚磷酸 钠，用其清洗滤饼后失重率最高可达 9 7 ．2 1 ％。 2 ． 得到的最佳清洗工艺 清洗时间为 1 h ，清洗 流速为 0 ． 3 0 m／ s ，温度为 7 0℃。 3 ． 开发出的非酸性氧化型复配清洗剂可以实现滤 饼的高效清洗。其中的强碱可以破坏聚合物中有交联 倾向的有机基团，强氧化剂可以破坏滤饼中聚合物的 主链骨架， 并生成大量含氧基团，使其亲水性大大提 高，最终变成极性小分子。清洗液中无机物和被氧化 剂断链的小分子有机物会被膨润土所吸附，没有无机 物做骨架 ，有机物失去了再聚的能力 。清洗时，滤饼 表面的 C a C O 会先被洗掉，同时大部分膨润土也被 洗掉，然后高聚物渐渐地被洗去。 参 考 文 献 [ 1 】 马世昌，杨玉良，汪世国 ． 用强抑制性钻井液体系钻巨 厚泥岩地层 [ J ] ． 钻井液与完井液，2 0 0 3 ，2 O 2 5 6 ． 5 7 ． M a S h i c h a n g， Ya n g Yu l i a n g， W a ng S hi g u o， e t a 1 ． Us e s t r o n g i n h i b i t o r y fl u i d s y s t e m d r i l l t h i c k s h a l e f o r ma t i o n [ J ] ． Dr i l l i n gF l u i d＆C o m p l e t i o nF l u i d ， 2 0 0 3 ，2 0 2 5 6 5 7 ． [ 2 ] 彭志刚，冯茜，杨景辉，等 ． 一种清除钻井液滤饼 的新 技术 [ J ] ，2 0 0 9 ，2 6 5 2 2 ． 2 3 ． P e n g Z h i g a ng， F e n g Xi ， Ya n g J i n g h u i ， e t a 1 ． A n e w t e c h n o l o g y o f r e mo v i n g d r i l l i n g fl u i d fi l t e r c a k e [ J ] ． Dr i l l i n g F l u i d＆C o m p l e t i o n F l u i d ， 2 0 0 9 ，2 6 5 2 2 ． 2 3 ． [ 3 ] 汪正勇，王晖，屈人伟，等 ． 应用酸化解堵决策技术改 善解堵增注效果 [ J ] ． 海洋石油，2 0 0 2 3 5 0 ． 5 3 ． W a n g Z h e n g y o n g ，W a n g Hu i ，Qu Re n we i ，e t a 1 ． Ap p l i c a t i o n a c i d i z i n g a n d d e p l u g g i n g t e c h n o l o g y t o i mp r o v e the e f f e c t o f d e p l u g g i n g a n d I n c r e a s i n g i e c fi o n[ J ] ． O f f s h o r e Oi l ，2 0 0 2 3 5 0 ． 5 3 ． [ 4 ] 王宝峰，赵刚 ． 用于解除储层深部黏土堵塞的氟硅酸 ／ 盐酸体系研究 [ J ] ． 油田化学 ，2 0 0 1 ，1 8 4 3 1 1 - 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