雜多糖鉆井液抗溫抑制性能評(píng)價(jià)

摘 要

摘要：為改善雜多糖鉆井液抑制劑——SJ鉆井液的抗溫性能，通過巖屑滾動(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)、泥頁巖線性膨脹率實(shí)驗(yàn)、泥球浸泡實(shí)驗(yàn)以及流變性能參數(shù)和濾失量隨SJ鉆井液添加量變
摘要：為改善雜多糖鉆井液抑制劑——SJ鉆井液的抗溫性能，通過巖屑滾動(dòng)回收率實(shí)驗(yàn)、泥頁巖線性膨脹率實(shí)驗(yàn)、泥球浸泡實(shí)驗(yàn)以及流變性能參數(shù)和濾失量隨SJ鉆井液添加量變化關(guān)系曲線，評(píng)價(jià)了SJ鉆井液的抗溫抑制性能。結(jié)果表明：水基鉆井液中SJ添加量為1%～6%時(shí)，SJ鉆井液具有合理的泥頁巖抑制性、流變性和濾失性，抗溫.極限為140℃；SJ鉆井液的抑制作用機(jī)理包括“連續(xù)半透膜”和“膠體軟粒子填充降濾失”以及“硅鎖封固殼去水化”等方面。該成果為開發(fā)保護(hù)油氣層的水基鉆井液又找到一類新型的抑制劑。
關(guān)鍵詞：深井；高溫；雜多糖；水基鉆井液；抗溫抑制性能；儲(chǔ)層保護(hù)；評(píng)價(jià)
    雜多糖苷SJ鉆井液具有4種結(jié)構(gòu)單元糖基而使其水基鉆井液具有化學(xué)活度低、頁巖穩(wěn)定能力強(qiáng)、高溫穩(wěn)定性較好、流變性易調(diào)整、抗鹽污染能力強(qiáng)、毒性低且易于生物降解等集諸功能于一體的特點(diǎn)。經(jīng)過近幾年在江蘇油田的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，建立了SJ鉆井液組配及其相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工藝，取得了良好的環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[1～2]。因此，評(píng)價(jià)其抗溫、抑制性能對(duì)進(jìn)一步改善雜多糖鉆井液抗溫性能是必要的。
1 實(shí)驗(yàn)材料及儀器
1.1 主要材料
    黏稠液體SJ，江蘇揚(yáng)州潤(rùn)達(dá)油田化學(xué)劑有限公司生產(chǎn)；膨潤(rùn)土，寧夏中衛(wèi)天瑞公司生產(chǎn)(三級(jí))；巖屑采自長(zhǎng)慶油田直羅組地層(10～30目)。
1.2 實(shí)驗(yàn)主要儀器
    ZNN-D6型六速旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)；GW300型高頻高溫滾子加熱爐；ZNS型泥漿失水量測(cè)定儀；NP-01型常溫常壓膨脹量測(cè)定儀。
2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
2.1 確定SJ的適宜添加量范圍及抗溫極限溫度
2.1.1確定SJ的適宜添加量
    在含土4%的預(yù)水化膨潤(rùn)土基漿中分別添加不同量的SJ后，測(cè)繪SJ鉆井液的流變性能參數(shù)和濾失量隨SJ添加量變化關(guān)系曲線，確定SJ的適宜添加量范圍。
2.1.2確定SJ如舞液的抗溫極限溫度
    將按2.1.1所確定的SJ適宜添加量配制SJ鉆井液基漿，在室溫20～180℃范圍內(nèi)的不同溫度下加熱滾動(dòng)16h后，測(cè)繪SJ鉆井液流變性能參數(shù)和濾失量隨溫度變化的關(guān)系曲線，確定其抗溫極限溫度。
2.2 抑制性評(píng)價(jià)
2.2.1 SJ水溶膠液的抑制性
    參照SY/T 6335—1997鉆井液用頁巖抑制劑評(píng)價(jià)方法，測(cè)試頁巖在SJ水溶膠液中的線性膨脹率，并與油氣田常用的其他幾種抑制劑相比較。
2.2.2 SJ鉆井液的抑制性
    由同2.1.2老化后的鉆井液過40目濕篩后所得巖屑一次回收率，考察溫度對(duì)SJ鉆井液中巖屑回收率的影響，即考察溫度對(duì)SJ鉆井液的抑制性的影響。
2.3 泥球?qū)嶒?yàn)
    室溫下將鈉膨潤(rùn)土與蒸餾水按2:1混拌均勻并成團(tuán)約10g/個(gè)的小泥球后，分別放入不同濃度的等體積SJ水溶膠液或其他抑制劑溶液中靜置浸泡72h，觀察泥球變化并定時(shí)計(jì)量泥球質(zhì)量，繪制泥球吸水率與SJ水溶膠液濃度關(guān)系曲線，并與油氣田常用抑制劑進(jìn)行比較。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
3.1 SJ在鉆井液中的適宜添加量及抗溫性
3.1.1 SJ的適宜添加量
由本文2.1.1所得SJ鉆井液的流變性能參數(shù)和濾失量隨SJ添加量變化關(guān)系曲線見圖1。隨著SJ添加量的增加，鉆井液表觀黏度、塑性黏度、動(dòng)切力均逐漸增大，濾失量逐漸降低且均低于10mL，同時(shí)流性指數(shù)維持在0.4～0.5，這說明水基鉆井液中SJ添加量達(dá)到一定時(shí)，能夠有效地增黏降濾失；SJ添加量小于1%時(shí)增黏很少，SJ添加量大于6%時(shí)降濾失很少，故SJ的適宜添加量范圍為1%～6%。
 
3.1.2 SJ鉆井液的抗溫性
    由本文2.1.2所得SJ鉆井液流變性能參數(shù)和濾失量隨溫度變化的關(guān)系曲線(見圖2)。隨溫度上升，SJ鉆井液的黏度呈上下振蕩變化趨勢(shì)；經(jīng)過140℃，老化16h后，SJ鉆井液濾失量急劇上升且超過10mL，這表明SJ鉆井液在保證其流變性和濾失性均合理的前提下，抗溫極限溫度為140℃。
 
3.2 抑制性
3.2.1 SJ水溶膠液的抑制性
    由本文2.2.1的測(cè)試結(jié)果所得表1可見：與油氣田常用抑制劑相比，SJ水溶膠液中的頁巖膨脹率相對(duì)較小，表明SJ水溶膠液有較強(qiáng)的抑制頁巖水化膨脹作用，其作用機(jī)理有兩方面：①SJ雜多糖分子鏈上含有較多的鄰位羥基，當(dāng)水基鉆井液中SJ添加量達(dá)到一定時(shí)，極性水化的羥基上帶正電部分能夠吸附在帶負(fù)電的泥頁巖表面并形成一層“連續(xù)半透膜”，阻礙了鉆井液中的自由水分子到達(dá)泥頁巖表面，有效地抑制了在泥頁巖表面由表及里地進(jìn)行的水化反應(yīng)；②“膠體軟粒子填充降濾失”：SJ水溶膠液中的膠體粒子能夠充填于濾餅和泥頁巖孔隙或裂縫中，使濾餅和泥頁巖更加密實(shí)，從而有效降低鉆井液的濾失量，抑制了因?yàn)V失水分子入侵而導(dǎo)致的泥頁巖水化分散[2～4]。
表1 抑制劑水溶膠液中頁巖線性膨脹率表
抑制劑濃度與名稱
8h膨脹率/%
抑制劑濃度與名稱
8h膨脹率/%
H2O(蒸餾)
43.90
3%FP-2+0.2%TIPA
44.55
3%FS-2
37.93
0.2%JT888
9.34
3%FS-3
37.36
0.2%KPAM
10.00
3%FS-2
34.79
3%SJ+1%HPAN
25.15
6%Na2SiO3(1)
51.65
6%SJ
11.56
3.2.2 SJ鉆井液的抑制性
    由本文2.2.2的測(cè)試結(jié)果所繪制成的圖3可見：溫度為80～100℃時(shí)，隨溫度升高，巖屑回收率幾乎未發(fā)生變化；溫度為100～120℃時(shí)，巖屑回收率隨溫度升高而大幅度下降。此現(xiàn)象和圖2所示曲線的變化原由一致：鉆井液的塑性黏度隨溫度升高呈逐漸增大趨勢(shì)同時(shí)表觀黏度呈上下振蕩變化趨勢(shì)，表明此時(shí)分子之間以及分子與鉆井液中各種懸浮粒子之間形成的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，此時(shí)的SJ分子未降解，分子鏈較卷曲，分子中環(huán)醇羥基上的正電部分不能充分裸露出來，吸附在帶負(fù)電的泥頁巖表面，本文3.2.1所述機(jī)理①(以下簡(jiǎn)稱機(jī)理①)的作用減弱。因此，建議現(xiàn)場(chǎng)在100～120℃井段使用SJ時(shí)，可以采取適當(dāng)補(bǔ)充SJ的辦法來保證其抑制性穩(wěn)定。溫度為120～150℃時(shí)，巖屑回收率隨溫度升高又顯著上升，結(jié)合圖3所示曲線可得：溫度為120～130℃時(shí)，鉆井液的塑性黏度和表觀黏度均隨溫度升高而增大且兩條曲線幾乎平行，表明此時(shí)隨溫度升高SJ分子逐漸伸展，分子中環(huán)醇羥基上的正電部分逐漸裸露出來吸附在帶負(fù)電的泥頁巖表面，機(jī)理①的作用逐漸增強(qiáng)；溫度為130～140℃時(shí)，鉆井液的塑性黏度和表觀黏度均隨溫度升高而減小，表明此時(shí)隨溫度升高SJ分子逐漸降解，分子的伸展程度逐漸提高，機(jī)理①的作用逐漸增強(qiáng)；溫度為140～150℃時(shí)，鉆井液的塑性黏度和表觀黏度均隨溫度升高而增大且濾失量突然急劇上升，表明此時(shí)隨溫度升高SJ分子之間又相互結(jié)合且分子鏈增長(zhǎng)，機(jī)理①的作用增強(qiáng)，同時(shí)SJ大分子對(duì)鉆井液中的黏土粒子的吸附橋連作用增強(qiáng)致使黏土產(chǎn)生絮凝而導(dǎo)致濾失量突然急劇上升。綜上所述，兼顧流變性、濾失性及抑制性合理的前提下，SJ鉆井液的抗溫極限溫度為140℃。
 
3.3 泥球在SJ水溶膠液中的穩(wěn)定性
    2.3泥球?qū)嶒?yàn)結(jié)果見表2、圖4、5。由表2可見：隨吸水時(shí)間延長(zhǎng)，各種抑制劑的吸水率增大，SJ水溶膠液中浸泡后的泥球吸水率較低且外觀較規(guī)整，如圖5所示。由圖4可見，泥球吸水率隨SJ水溶膠液濃度增加而增大，當(dāng)濃度超過3.3%后，吸水率基本保持不變。實(shí)驗(yàn)中觀察到，泥球在清水和不同濃度SJ水溶膠液中浸泡72h后，泥球形狀發(fā)生了不同程度的變化：清水中浸泡后的泥球體積急劇膨脹且出現(xiàn)碎裂現(xiàn)象，已無法稱重；SJ水溶膠液中浸泡后的泥球，表面光滑無裂紋且體積略有收縮(見圖5)?？梢?，SJ水溶膠液具有半滲透甚至無滲透作用，同時(shí)具有一定的去水化作用。去水化作用機(jī)理：SJ雜多糖分子上的環(huán)醇羥基、糖苷鍵及少量羧基與泥球主要組成成分硅酸鹽分子上的Si原子之間，通過Si—O—Si或RO—Si鍵連接形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，包裹著泥球，在泥球表面形成一層“硅鎖封固殼”，阻止水分子進(jìn)入泥球，阻擋泥球中的黏土進(jìn)一步水化分散，同時(shí)該“硅鎖封固殼”還具有一定的奪取泥球內(nèi)部水分子的能力而表現(xiàn)出一定的“硅鎖封固殼去水化”作用。
表2 泥球浸泡后的外觀描述表
抑制劑濃度與名稱
泥球吸水率/%
泥球外觀描述
吸水12h
吸水24h
吸水48h
0.5%PAM
86.71
118.36
175.17
深裂紋
0.5%FA367
50.42
90.69
130.90
微裂紋
5%硅酸鈉
20.24
散開，無法稱量
散開
5%KCl
0.70
0.72
0.79
粗糙無裂紋
1%SJ
5.56
7.22
7.85
光滑完整
 
4 結(jié)論
    1) SJ鉆井液中適宜添加量范圍為1%～6%，合理的抗溫極限為140℃。
    2) SJ鉆井液具有良好的抑制泥頁巖水化膨脹的作用，其作用機(jī)理共包括“連續(xù)半透膜”和“膠體軟粒子填充降濾失”以及“硅鎖封固殼去水化”三方面。
    3) 建議現(xiàn)場(chǎng)在100～120℃井溫段使用SJ時(shí)，可以采取適當(dāng)補(bǔ)充SJ的辦法來保證其抑制性穩(wěn)定。
參考文獻(xiàn)
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(本文作者：張潔 郭鋼 西安石油大學(xué))