钻井液固相控制

2024-12-15

钻井液固相控制（共5篇）

钻井液固相控制篇1

1 前言

在钻探作业中, 为了改善岩层环境, 抑制不稳定岩层对钻井过程的影响, 通常使用清水、泥浆、泡沫等钻井液对孔内进行循环冲洗, 因而钻井液又常被称作钻孔冲洗液。钻井液中通常会混杂着大量固体颗粒, 而其中一部分有害固体会对钻井过程产生极大的影响和危害, 导致钻速降低甚至诱发井下事故。钻井液固相控制系统是用于清除井液有害固相的一系列装置和措施的总称, 其对于维护和保持钻探作业的正常进行起到至关重要的作用。

2 钻井液的固相控制

钻井液的固相控制是指采用科学有效的方法和措施, 在适量保留钻液中有用固相的同时, 除去无用固相。固相控制不仅可使钻井速度得到大幅提升, 而且在减轻钻井设备磨损, 延长钻机使用寿命、保护油气矿层等方面起到了非常重要的作用, 为实现科学钻探提供了必备的支持。

2.1 钻井液固相

钻井液的固相指的是井液中含有的固体颗粒状物质。其中一部固相是钻探过程中岩石破碎时所产生的劣质土、砂岩颗粒等钻屑, 这一部分通常被称作为有害固相, 是需要进行清除的。而两一部分固相则是为了实现钻井工艺要求而被人为添加的, 这类固相被称为有用固相, 需要适量的保留。在钻探作业中, 钻液中的有害固相主要来源于钻屑, 钻屑的产生伴随在钻井的整个过程。有害固相不仅能够造成油气通道堵塞, 污染油气储层, 而且还会大大缩短钻机设备的使用寿命, 增加钻井成本, 因而必须采用科学有效的固相控制方法进行及时的清除。

2.2 常见的固相控制方法

近年来, 随着喷射钻井、优化钻井等新型钻井技术的不断发展和实施, 国内的固相控制工艺水平也有了很大的进步和提高, 在各大油田得到了推广和普及。目前, 冲稀法, 替换法, 自然沉降法, 化学沉降法及机械清除法是较为常用的固控方法, 这些固控方法都能有效的去除钻液中的有害固相, 降低细微颗粒的比例, 确保钻液固相含量、固相粒度及级配符合钻井工艺的要求。

2.2.1 冲稀法

冲稀法是在保持固相含量基本不变的条件下, 将清水或其它较稀液体及适量的化学处理剂加入到高固相含量的钻井液中, 使钻井液的固相浓度降低。

2.2.2 替换法

替换法是在保持钻井液总体积不变的条件下, 放掉一部分高固相含量的钻井液, 然后再将等量的处理剂溶液和低固相钻井液加入原井液中均匀混搅, 替换之前放掉的那部分高固相含量的钻井液。

2.2.3 自然沉降法

自然沉降法是基于岩屑颗粒在重力作用下自然沉降的原理而产生的, 这种方法利用井内返出至地面的钻井液在回流过程中由于液池体积大, 流速低的特点, 使井液上下层分离, 下层岩屑颗粒因沉降作用被滤掉, 而上部清洁的钻液则会再次入井循环使用。

2.2.4 化学沉降法

化学沉降法是利用一定的化学反应原理, 将一定量的化学药剂加入至钻井液中, 钻液中微小的岩屑颗粒由于药剂的作用而不断的聚集、絮凝, 当颗粒的体积膨胀至一定程度时就会出现迅速沉降的现象。

2.2.5 机械清洗法

机械清洗法是使用改变固相级配的方式清除有害固相, 此种方法通常要配套相应级别的机械清除设备才能得以实现。

3 钻井液固相控制系统的组成及功能

由于机械清洗法成本较低, 操作容易, 而且固控过程的钻液损失少, 污染小, 另外逐级清除的固控模式可以达到较好的清除效果, 泥浆性能稳定, 因而被广泛的用于钻井液的固相控制。由于不同固控设备只能处理一定颗粒尺寸范围内的固相, 因而要发挥机械清洗固相控制的最大效能就要将不同固控设备合理组合成为一个统一的系统。应该指出的是, 一个合理的固控系统通常并不仅是由各种固控设备所组成的, 而是应包括从泥浆返出井口开始到进入钻井泵吸入口的整个地面流程, 其中的振动筛、旋流器、离心机、除气器则是这一流程系统的核心单元, 统称为泥浆的四级净化设备。

3.1 振动筛

振动筛是整个固控系统中最为关键的净化设备, 其主要用于清除和筛分各类钻液中较大的固体颗粒, 由于处在固控系统的第一道工序, 因而振动筛常被称为一级固控设备, 它的运行状态和效果将直接影响及制约后续旋流器等固控设备的正常运转。其工作原理是:通过机械振动和固体颗粒间的粘附作用将大于或一部分小于振动筛筛孔的固体颗粒筛离出来, 从而完成对较粗固相颗粒的分离作用。振动筛的特点主要可以归纳为以下两个方面:

1) 钻井液经振动筛筛分后, 液相介质通过, 固相颗粒被滤除。

2) 筛网是振动筛的核心组成部件, 为了确保振动筛筛出的固相颗粒直径满足后续的工艺要求, 筛网应选取可方便更换的大目数结构。

3.2 旋流器

旋流器又被成为“清洁器”是固控系统中除泥器与除沙器的统称, 主要用于补偿和加强前置振动筛的处理效果。其工作原理是:在压力作用下, 当含有固体颗粒的钻液进入旋流器高速旋转时, 其中体积和密度较大的固相颗粒在离心力的作用下被抛向器壁, 之后沿器壁呈下降的外螺旋状由底流口排出;而钻液中剩余的细小颗粒则随着旋流液一同流向底部, 在碰底的瞬间, 由于旋离器的作用而改变方向向上运动, 之后沿器壁呈上升的内螺旋状经送流口排出。从以上原理可以看出, 一股向下做螺旋运动的粗颗粒流体和另外一股向上作螺旋运动的细小颗粒流体将同时存在于旋流器的内部。

3.3 离心机

离心机通常被安装在固控系统的最后单元, 其采用离心力分离原理, 不仅可以除去钻液中2微米以上的有害固相, 而且在除去钻液中多余胶体, 控制钻液粘度等方面具有具有非常突出的作用。另外, 离心机也是处理废弃钻井液, 防止污染环境的一种理想备。

3.4 除气器

矿层中的天然气或空气在钻探过程中由于井压较高经常会溶入钻井液之中, 造成井液的污染。而当钻井液由井底循环至地面时, 随着压力的减小, 井液中的溶解气体将迅速膨胀而形成气泡, 导致钻井液性能的变化。使用除气器可以使侵入钻井液中的气泡快速到达液体表面并破裂逸出, 达到净化井液的目的。

4 结语

近年来, 随着钻井工艺的不断发展和提高, 以及各矿区对现场钻井液的维护和管理工作的高度重视, 如何有效的进行钻井液固相控制已经成为钻井过程中的关键问题, 因而加强对钻井液固相控制系统的分析和研究工作具有非常重要的现实意义。

参考文献

[1]周金葵, 钻井液工艺技术, 石油工业出版社, 2011.6[1]周金葵, 钻井液工艺技术, 石油工业出版社, 2011.6

[2]张斌, 钻井液固相控制技术, 西南交通大学出版社, 1999.1[2]张斌, 钻井液固相控制技术, 西南交通大学出版社, 1999.1

钻井液固相含量及测量篇2

关键词：钻井液,固相含量,井下安全,钻速

引言

钻井液固相含量通常用钻井液中全部固相的体积占钻井液总体积的百分数来表示。固相含量的高低以及固相颗粒的类型、尺寸和性质均对钻井时的井下安全、钻井速度及油气层损害等有直接的影响。因此, 在钻井过程中必须对其经行检测和有效控制。

1 钻井液中固相的类型

一般情况下, 钻井液中存在着各种不同组分、不同性质和不同颗粒尺寸的固相。根据其作用不同, 钻井液可分为无用固相和有用固相。根据性质的差异, 可将钻井液中固相分为惰性固相和活性固相。凡是不容易发生水化作用或不易与液相中某些组分发生反应的称为惰性固相;凡是容易发生水化作用或易与液相中某些组分发生反应的称为活性固相。

2 钻井液固相含量与井下安全的关系

在钻井过程中国, 破碎岩屑不断积累, 尤其是大量易水化分散岩屑 (泥页) 的存在, 在固控条件欠缺的条件下, 钻井液的固相含量会逐渐增加。过高的固相含量会是井下的不安全因素增加, 主要包括五点:第一点是使钻井液流变性能不稳定, 流变性、携岩效果降低, 切力、粘度增高;第二点是在井壁上形成厚厚的滤饼, 并使摩擦系数增大, 质地疏松, 因此使起下钻较难, 造成卡钻现象;第三点是滤饼质量较差使虑失量上升, 井壁页岩水化膨胀、井径缩小、井壁坍塌;第四点是钻井液易发生钙侵、盐侵以及粘土侵等现象, 抗温性能减弱, 增大了维护难度;第五点是在钻遇油气层地时候, 由于钻井液固相含量较高、虑失量加大, 使钻井液进入到油气层的难度加大, 使井壁带油气层的渗透率降低, 增大了油气层损害程度, 降低产率。

3 钻井液固相含量对钻速的影响

通过大量的实践验证, 钻井液中的固相含量是影响钻速的一个主要因素, 如固相含量的增加将使钻速下降。此外, 钻井液中的固相的种类、颗粒尺寸以及类型都将影响到钻速。大量的研究表明, 当钻井液为清水时钻速是最大的, 随着向钻井液中添加固相含量的增加, 钻速降显著下降, 尤其是在固相含量较低的范围内, 钻速下降得更快。在固相体积含量超过10%, 对钻速的影响就相对较少了。不同类型的固相对钻速的影响不同, 通常认为砂粒、重晶石等惰性固相对钻速的影响较小, 质量低劣土、钻屑的影响居中, 膨润土对钻速的影响是最大的。钻井液中大于1μm的亚微米颗粒要比小于1μm的颗粒对钻速的影响小12倍。因此, 如果钻井液中小于1μm的亚微米颗粒越多, 所造成钻速下降的幅度越大。在相同固相含量条件下, 使用不分散聚合物钻井液时机械钻速比分散钻井液要大得多。钻井液密度与固相含量密切相关, 在满足密度要求的情况下, 固相含量尽可能小一些。

4 钻井液固相含量的测量

用钻井液固相含量测定仪测量钻井液中固相及油、水的含量, 并通过计算可间接推算出钻井液中固相的平均密度等。

4.1 固相含量测定仪的结构组成

固相含量测定仪是由蒸馏器、加热棒、量筒、冷凝器等部分组成。蒸馏器由蒸馏器本体和带有蒸馏器引流导管的套筒组成, 两者用螺纹连接起来, 将蒸馏器的引流管插入冷凝器的孔中, 使蒸馏器和冷凝器连接起来, 冷凝器为一长方形的铝锭, 有一斜孔穿过冷凝器, 下端为一弯曲的引流嘴。

4.2 固相含量测定仪的工作原理

工作时, 由蒸馏器将钻井液中的液体 (包括水和油) 蒸发成气体, 经引流嘴进入冷凝器, 冷凝器把气态的油和水冷却成液体, 经引流嘴进入量筒。量筒为百分刻度, 可直接读出接收的油和水的百分数。

4.3 固相含量测定仪的测量方法

第一步是向蒸馏器内注入20m L钻井液, 将插有加热棒的套筒连接到蒸馏器上;第二步是将蒸馏器的引流管插入冷凝器的孔中, 然后将量筒放在引流嘴下放, 以接收冷凝成液体的油和水;第三步是接通电源, 使蒸馏器开始工作, 直至冷凝器引流嘴中不再有液体流出时为止。这段时间一般需20-30min;第四步是待蒸馏器和加热棒完全冷却后, 将其卸开。用铲刀刮去蒸馏器内和加热棒上被烘干的固体, 用天平称取固体的质量, 并分别读取量筒中水、油的体积。

4.4 测量结果的处理

通常用固相所占有的体积分数表示钻井液的固相含量, 需要注意的是, 对于含盐量小于百分之一的淡水钻井液, 很容易由实验结构求出钻井液中固相的体积分数;但对于含盐量较高的盐水钻井液, 被蒸干的盐和固相会共存于蒸馏器中。此时须扣除由于盐析出引起体积增加的部分, 才能确定钻井液中的实际固相含量。

5 钻井液固相控制的方法

钻井液中的固相含量越低越好, 要通过固相控制不断地清除钻屑等有害固相, 使膨润土和重晶石等有用固相的含量维持在适当范围内, 一般固相含量应控制在百分之五左右, 实现提高钻速、保证安全要求。固相含量的控制主要有4中方法:第一种是清水稀释法。向钻井液中加入大量清水, 可降低钻井液的固相含量, 但该方法要增加钻井液的容器或放掉部分钻井液, 不仅增大成本, 并且易使钻井液性能变坏;第二种是替换部分钻井液法。用清水或低固相钻井液替换一定体积高固相含量的钻井液, 可减少清水和处理剂的用量但仍有浪费;第三种方法是化学絮凝法。在钻井液中加入高分子絮凝剂, 使钻屑等无用固相在钻井液中不水化分散, 而絮凝成较大颗粒沉淀;第四种方法是机械设备清除法。主要设备由振动筛、除砂器、除泥器、离心分离机等。

6 结论

钻井液的固相含量的多少、种类、类型是钻井过程中的一个重要因素, 并且还影响到井下安全, 因此我们应该多注意、研究, 降低不安全因素以及提高钻速。

参考文献

[1]William Dye, Ken Daugereau, Nels Hansen, et al.New water-based mud balances high-performance drilling and environmental compliance.SPE/I ADC92367.2005.[1]William Dye, Ken Daugereau, Nels Hansen, et al.New water-based mud balances high-performance drilling and environmental compliance.SPE/I ADC92367.2005.

钻井液的固相作用及各项性能影响篇3

由于钻井液的固相具有不同的性质,因此可将其分为活性固相和惰性固相两种类型。活性固相指的是比较容易发生水化作用的或者是容易和液相中的一些组成部分发生反应的钻井液固相,其他的则是惰性固相。活性固相主要指的就是膨润土,而惰性固相则包括很多,例如石英、长石及粘土等。除了按性质进行分类以外,还可以根据钻井液的作用对其进行分类,可分为有用固相和无用固相两种类型。有用固相主要指膨润土、非水溶性或油溶性的化学处理剂和加重材料等;无用固相主要有钻屑、劣质土及沙粒等。大量的钻井实践证明,无用固相一旦过量存在就会对钻井液的性能造成破坏,也会降低钻速,并且给井下工作造成隐患。

无机盐会抑制膨润土的水化分散,导致膨润土在淡水和盐水中出现不同造浆率,且盐水的造浆率略低。因此为了提高膨润土在盐水的造浆率,要把膨润土先在淡水中进行预水化后再加到盐水中。不溶于水的惰性物质晶经过研磨加工而成为加重材料,也可称之为加重剂,它自身的密度比较大,不容易受到磨损,也比较容易粉碎,它同时也属于惰性固相,不溶于钻井液,且不会与钻井液中的其他成分发生反应,因此可以将加重剂添加到钻井液中来提高钻井液的密度,进而增强高压底层和井壁的稳定性。

2 钻井液的常规性能分析

钻井液具有多种性能,但是并非所有的性能都会用到,经常使用的性能并不多,主要有密度、粘度滤失造壁性和润滑性等。钻井液的性能与钻井工程的质量、安全以及油气田开采的效益都有着直接的关系和影响,也会影响施工人员的人身安全,因此一定要对钻井液的性能进行准确、合理的调控。

2.1 钻井液密度

密度作为钻井液的性能之一,对钻井液工艺有重要的影响,不同的压力层及不同的井深对钻井液的密度要求也不同。运用钻井液的主要目的是保持压力层的稳定性,如果密度太小比较容易导致井塌、井喷等事故,而加入密度太高又会造成井漏、扩井等一些复杂的井内事故,对油气田的开采带来困难。

2.2 钻井液流变性

钻井液的流变性指的是钻井液在受到外力作用的情况下所发生的流动和变形,其中以流动性为主。钻井液的流变性通常情况下都是通过流变参数来对其进行描述的,流变性也是钻井液一项基本的性能,对钻井问题有着重要的影响和作用,主要体现在以下几个方面:(1)可以将岩屑携带出去,保证井底和井眼的清洁性;(2)达到悬浮岩屑和重晶石的效果;(3)有利于机械钻速的有效提高;(4)保证井眼轨迹和安全。另外要加强对钻井液流变性的进一步深入研究,不断优化其流变参数的设计和控制。

2.3 钻井液滤失造壁性

水在钻井液中的形态主要有化学结合水、吸附水和自由水三种,它是水基钻井液的分散介质。在一定的压力下自由水会向井壁的裂缝或者空隙中进行渗透,这一现象被称为钻井液的虑失作用,虑失作用强弱的标准就是滤失量及失水量。压力差和存在裂缝或空隙的岩石是形成钻井液虑失的两个条件,在钻井液虑失的时候自由水就会逐渐渗透到岩层中去,钻井液中的固相颗粒便会附在井壁上,随着颗粒的增多逐渐形成一个泥饼,这就是我们所说的钻井液的造壁性。在井壁上形成泥饼以后,自由水的渗透性就会逐渐降低,可以在一定程度上减缓钻井液对地层的进一步渗透。

2.4 钻井液润滑性

钻井液的润滑性主要体现在两个方面,即泥饼的润滑性和钻井液自身的润滑性,钻井液与泥饼之间存在一定的摩阻系数,对钻井液润滑性进行评价时也主要依据这两点。钻井液的润滑性对钻井工作具有很大的影响,尤其是在深井、大斜度井、水平井和丛式井中更为突出。在对这些井进行钻探时钻柱的阻力会明显加大,而钻井液的润滑性可以减小阻力,减少摩擦,对安全、快速地进行钻井有着重要的促进推动作用。

3 钻井液固相粒度分布及堆积密度对钻井液各项性能的影响

3.1 钻井液固相粒度分布及堆积密度对钻井液流变性能的影响

作为钻井液流变性的主要影响因素之一,固相粒度的分布和堆积密度对钻井液的流变性具有重要的作用。通过对重晶石粉粒度进行分析,可以得出结论:重晶石粉粒度配级和钻井液的流变性成正先关,因此,可以通过对重晶石粉粒度级配从而完善钻井液的流变性。

3.2 钻井液固相粒度分布及堆积密度对钻井液滤失造壁性的影响

滤失和造壁性也是钻井液比较重要的性能之一,对井壁的稳定性有着很大的影响。然而,目前对钻井液的虑失和造壁性的研究仍存在不足之处,以静态研究为主,所涉及到的动态研究很少,有待于进一步加强对虑失和造壁性的动态研究。钻井液固相粒度的分布和堆积密度都对虑失和造壁性有一定的影响。

3.3 钻井液固相粒度分布及堆积密度对钻井液润滑性能的影响

密度较高的钻井液具有高固相、滤饼厚的特点,因此对润滑性提出了更高的要求,假如润滑性不够的话,就会导致不必要的事故,加大对钻井液流变性的阻力,也不利于水马力的有效发挥,降低效率。不难看出,我们可以利用优化钻井液固相粒度的方法来对钻井液的润滑性进行优化和完善。钻井液中固相的含量大小也有重要的意义,固相含量越高就会使泥饼越厚,很容易导致严查粘附卡钻的产生。

综上所述,近年来钻井技术得到了显著的提高和进步,因此承包商对钻井工艺中工作人员的要求也越来越高,人们对钻井液的重视程度也逐渐增强,不断为如何更好地实现钻井的快速、安全、高效而努力和探索。钻井液体系的研究和开发在钻井液技术的不断发展过程中也经历了多次更新换代,无论什么样的钻井液都与科学的理论基础密不可分,因此,必须加强对钻井液体系的理论研究,不断促进钻井液体系的发展和进步。

参考文献

[1]高元宏,陈佰辉,刘鹏.合金钻头全面钻进法在野马泉矿区碳质灰岩地层中的应用[J].青海科技,2011年03期.

无固相钻井液提切剂的制备研究篇4

关键词：无固相,提切剂,共聚物,自由基聚合,单因素法

无固相钻井液是在低固相钻井液的基础上发展的新型钻井液。它是由可溶性盐、聚合物增粘提切剂、降滤失剂、暂堵剂等助剂所组成的一种钻井液体系[1]。由于无固相钻井液体系没有粘土固相,能够提高钻进速度,缩短钻井周期,更重要的是避免了因粘土矿物水化膨胀分散形成亚微米粒子对储层的损害[2]。聚合物增粘提切剂作为无固相钻井液的流型调节剂,能够在体系中形成空间网状结构,使得钻井液体系具有一定的结构强度,满足钻井液循环过程中的悬浮和携带岩屑的施工要求。常用的增粘提切剂有天然植物高分子、生物聚合物、改性聚合物以及聚丙烯酰胺类等的聚合物。由于天然植物高分子的抗温性能欠佳,容易被细菌降解[3]等特点,笔者针对目前的研究现状,选用以丙烯酰胺为主要反应单体合成一种具有一定抗温能力,适用于无固相钻井液中的增粘提切剂。

1实验部分

水基钻井液中的粘土通过水化分散膨胀,从而在体系中形成空间“卡片结构”[4],使得水基钻井液具备的悬浮携带岩屑及加重剂的能力。由于无固相钻井液中没有粘土固相,提切增粘剂在体系中应该形成空间网状结构,满足钻井液循环的流变性能的要求。所以聚合物的主链上同时含有阳离子和阴离子,通过静电吸引作用,让聚合物交织缠绕,形成一定的空间网络结构。为了提高聚合物的抗温能力,还应该有一定量的刚性分子链或者基团。通过向体系中加入具有极性的基团,能够对泥页岩的粘土矿物吸附,抑制其水化分散能力[5]。因此,笔者选用丙烯酰胺(AM)、2 - 丙烯酰胺基 - 2 - 甲基丙磺酸(AMPS)、阳离子单体三种单体在水溶液中共聚。

1. 1实验仪器和药品

仪器: 电子天平、SYC - 15B恒温水浴锅、DJ1C - 100强力电磁电动搅拌器、DZ - ZBC电热鼓风干燥箱、温度计、ZNN- D6型六速旋转粘度计、WQF - 520型傅立叶变换红外光谱仪、D0. 54 mm乌氏粘度计等。

药品: 丙烯酰胺(AM),2 - 丙烯酰胺基 - 2 - 甲基丙磺酸(AMPS)均为分析纯,阳离子单体溶液(质量分数为70% ),过硫酸铵,亚硫酸氢钠,氢氧化钠,无水乙醇,均为分析纯,成都科龙化学试剂厂提供。

1. 2增粘提切剂的合成方法与步骤

将设计量的AMPS溶于适量的去离子水中,并用已配制好的氢氧化钠溶液进行中和,然后加入设计量的AM与阳离子单体溶液,调节p H到设计值,继续加入去离子水到反应的单体质量浓度。当恒温水浴锅升温到设计温度后,向溶液体系中加入设计量的过硫酸铵和亚硫酸氢钠 (摩尔比1∶2)[6]组成的氧化 - 还原引发体系,然后向溶液中通入氮气15 min,除去溶解氧。在磁力转子搅拌下反应一定时间,得到无色透明粘稠的胶状物质。用无水乙醇对合成产物提纯,并在55℃下烘干,得到白色粉末即为合成的增粘提切剂产品。

1. 3表观粘度的测定

将合成的提切剂按照质量浓度为0. 5% 配制成水溶液,通过六速旋转粘度计对其表观粘度进行测定,由此判定增粘提切剂的增粘效果。

表观粘度表示的方法: 用所配溶液在六速旋转粘度计600 r / min情况下表盘上的读数的一半数值表示。即表观粘度 =1 /2600。其中600表示旋转粘度计600 r / min下的表盘读数。

1. 4聚合物结构的红外表征

将合成的增粘提切剂反复提纯之后与KBr混合研磨,然后烘干、压片制样,用WQF - 520型傅立叶变换红外光谱仪对样品进行红外光谱测定。

1. 5聚合物的分子量测定

将聚合产物提纯后配制成水溶液,依据国家标准GB12005. 1 - 1989聚丙烯酰胺特性粘数测定方法[7],用五点法对合成聚合物用乌氏粘度计测其特性粘数,根据粘均分子量计算公式,计算出聚合产物的近似平均分子量[8]。

2实验结果与讨论

2. 1单体质量配比对聚合物表观粘度的影响

在单体总质量浓度为30% ,引发剂用量为单体总质量的0. 5% ,温度为45℃ ,反应时间为4 h,反应体系p H值为7的条件下,改变三种单体的配比,考察在不同质量配比对聚合物表观粘度的影响。结果图1。

图1可以看出随着阳离子单体配比的减少,聚合物的表观粘度随之增大。随着AMPS的量减少时,聚合物的表观粘度随着降低。这主要是因为阳离子单体分子中有较大的基团和离子,因为空间位阻使合成存在困难,影响反应产物相对分子质量的增大; AMPS用量较少时,由于其进入聚合物引入了电离的结构单元,这样分子量会因为静电斥力作用而伸展,使得产物粘度变大。综上实验分析以及实验结果表明,聚合反应最佳反应的质量配比为8∶3∶1。

2. 2聚合反应温度对聚合物表观粘度的影响

在单体质量配比为AM∶AMPS∶阳离子单体 = 8∶3∶1,单体总质量浓度为30% ,引发剂用量为单体总质量0. 5% ,反应时间为4 h,反应体系p H值为7的条件下,改变反应温度,考察不同反应温度对合成聚合物表观粘度的影响。结果见图2。

低温下引发剂分解速度慢、自由基活性低、链增长速度缓慢、单体转化率较低难以形成高分子量的聚合物。而温度过高使引发剂过早的全部分解,反应后期缺乏自由基,同样导致单体转化率很低; 高温条件下链终止速度加快、链转移增多,也难以形成高分子量的产物。从图2实验结果分析表明: 聚合反应最佳反应温度为45℃。

2. 3引发剂用量对聚合物表观粘度的影响

在单体质量配比为AM∶AMPS∶阳离子单体 = 8∶3∶1,单体总质量浓度为30% ,反应温度为45℃ ,反应时间为4 h,反应体系p H值为7的条件下,改变引发剂加量,考察不同引发剂用量对合成聚合物表观粘度的影响。结果见图3。

由图3实验表明,随着引发剂加量的增加,聚合反应产物的表观粘度随着增大,当引发剂加量达到单体质量浓度0. 5%时,表观粘度最大,至此以后,表观粘度随引发剂加量的增大而减少。这是由于引发剂加量过低时候,反应体系缺少自由基单体转化率很低,而引发剂加量过多时,链终止速度加快难以形成高分子量的产物。由实验结果表明,聚合反应的最佳引发剂加量为单体质量的0. 5% 。

2. 4单体总质量浓度对聚合物表观粘度的影响

在单体质量配比为AM∶AMPS∶阳离子单体 = 8∶3∶1,引发剂加量为单体总质量浓度的0. 5% ,反应温度为45℃ ,反应时间为4 h,反应体系p H值为7的条件下,改变单体的总质量浓度,考察不同单体浓度下对合成聚合物表观粘度的影响。结果见图4。

由图4的数据分析,当单体总质量浓度低于30% 时,共聚产物的表观粘度随单体总浓度增加而增大。当浓度超过30%后,共聚产物的表观粘度开始下降。原因是因为单体浓度较低时,单体总质量浓度升高使单位体积的反应液中包含更多的单体,使单体与自由基之间碰撞几率增大,加快聚合反应速率有利于提高聚合产物的分子量。但当单体总浓度过大时,在加速阶段反应体系粘度太大,使链自由基与单体的运动受阻,自由基与单体碰撞几率降低; 同时局部温度过高导致链转移增加、歧化终止增多、双基终止减少,使共聚产物分子量降低。实验数据分析结果表明,确定单体总质量浓度定为30% 较合适。

2. 5反应p H值对聚合物表观粘度的影响

单体总质量浓度为30% ,引发剂加量为单体总质量浓度的0. 5% ,反应温度为45℃ ,反应时间为4 h的条件下,改变反应体系的p H值,考察不同p H值条件下,对合成聚合物表观粘度的影响。结果见图5。

符合Mark - Houwink方程式: [η]= KMα,在一定的分子量范围内,K和α是与分子量无关的常数。通过对最优反应条件下的聚合物特性粘数测量,利用五点法测得聚合物特性粘数为1126,近似得到聚合物相对分子量约为580万。

3结论

由单因素法确定无固相钻井液增粘剂的合成条件,优选最佳合成条件为: 单体的质量配比为AM∶AMPS∶阳离子单体 =8∶3∶1,反图应5的单反应体p总H浓值度对聚为合3产0%物 ,表观引粘发度剂的钾影量响为单体总浓度的0F.i g5. %5 ,Th反e应effe温ct度of p为H 4on5 t℃he ,app反are应nt溶vis液cos体ity系of tph He p值oly为me r7,持续反应4 h。通过红外光谱的表征,证实聚合物是由AM、

如图5实验数据分析: 在反应溶液p H值为中性或弱酸弱AMPS与阳离子单体的共聚产物。

碱性时,聚合反应速度较慢,共聚产物表观粘度差别不大。在强酸强碱性条件下聚合反应速度快,产物表观粘度大幅减低或

参考文献

者形成不溶的聚合物。可能原因是: (1) 强酸强碱性条件下聚

[1] 刘程,李锐,张光华,等. 新型无固相钻井液体系研究新进展[J].

合物分子内或分子间的酰胺基发生亚胺化反应,使聚合物产物

天然气工业,2009,29(11): 64 - 66.

水溶性变差甚至出现大规模交联。(2) 强酸强碱性条件下链转移反应增多,使聚合产分子结构中支链增加,分子量下降使得增粘能力降低,甚至在聚合物分子间产生了一定的C - C键交联效果,使聚合物水溶性变差。因此控制反应溶液的p H值为7比较合适。

2. 6反应持续时间对聚合物表观粘度的影响

在单体质量配比为AM∶AMPS∶阳离子单体 = 8∶3∶1,单体总质量浓度为30% ,引发剂加量为单体总质量浓度的0. 5% ,反应温度为45℃反应体系p H值为7的条件下,改变反应的持续时间,考察不同反应时间对合成聚合物表观粘度的影响。结果见图6。

从图6的数据分析,随着反应的进行,聚合物粘度急剧上升。聚合反应超过4 h后共聚产物的表观性能差别不是很大,几乎没有变化,因此将反应持续时间定在4 h。

因此,通过以上反应条件分析得出合成无固相钻井液增粘提切剂的最佳合成条件: 单体的质量配比为AM∶AMPS∶阳离子单体 = 8∶3∶1,反应的单体总浓度为30% ,引发剂钾量为单体总浓度的0. 5% ,反应温度为45℃ ,反应溶液体系p H值为7,持续反应4 h。

2. 7聚合物的红外表征

用WQF - 520型傅立叶变换红外光谱仪对样品进行红外光谱测定,得到红外谱图如图7。

[2] 孟博. 无固相钻井液技术概述[J]. 中国石油和化工标准与质量,

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[7] 国家技术监督局. GB 1200. 5. 1 - 89聚丙烯酰胺特性粘数测定方法

由[S聚].合北物京的:中红国外标谱准图出(版图社 7,)19可89知 - ,12 3-4 2157. cm- 1为丙烯酰胺中[酰8]胺基潘的祖仁N .-高H分键子伸化缩学吸. 4 收版峰[M,]2. 9北30京c:m化-学 1附工近业为出甲版社基, C20 -10 H:2键 -的伸缩10振.动峰,2885 cm- 1附近为亚甲基C - H键伸缩对称峰,1659 cm- 1为酰胺基C = O键的伸缩振动峰,1181 cm- 1和1042 cm- 1为磺酸基O = S = O键的反对称伸缩振动峰和对称振动峰,2783 cm- 1与1316 cm- 1处为阳离子单体中与季碳相连的C- N键的特征吸收峰。

2. 8聚合物的相对分子质量测定

通过对聚合物特性粘数的测定,特性粘数与分子量的关系符合Mark - Houwink方程式: [η]= KMα,在一定的分子量范围内,K和α是与分子量无关的常数。通过对最优反应条件下的聚合物特性粘数测量,利用五点法测得聚合物特性粘数为1126,近似得到聚合物相对分子量约为580万。

3结论

由单因素法确定无固相钻井液增粘剂的合成条件,优选最佳合成条件为: 单体的质量配比为AM∶AMPS∶阳离子单体 =8∶3∶1,反应的单体总浓度为30% ,引发剂钾量为单体总浓度的0. 5% ,反应温度为45℃ ,反应溶液体系p H值为7,持续反应4 h。通过红外光谱的表征,证实聚合物是由AM、AMPS与阳离子单体的共聚产物。

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[1]刘程,李锐,张光华,等.新型无固相钻井液体系研究新进展[J].天然气工业,2009,29(11):64-66.

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钻井液固相控制篇5

一、无固相压井液钻水泥塞可行性研究

1. 经过分析论证, 充分利用固、液分离特性;

2. 硅酸盐不溶于有机盐的特点;

3. 可最大限度调整酸碱性, 以中和气体中的硫化氢气体。

4. 无固相压井液性能指标.如下表1.

无固相有机酸盐压井液, 针对固相颗粒堵塞、滤液侵入、应力敏感以及储层的水敏、碱敏和盐敏性, 考虑渗透率和孔隙度很低的储层, 重点考虑水锁损害;加入粘土稳定剂, 防止压井液滤液侵入储层引起水敏伤害;防止压井液大量漏失, 添加的增粘剂应具有溶解性良好、抗高温、抗剪切、抗盐、稳定性好等特点;暂堵剂采用可降解的高聚物及粒径匹配的复合酸溶性暂堵剂, 利用颗粒的屏蔽暂堵作用和聚合物溶液的高粘性减轻漏失量, 可有效保护气层。

二、无固相压井液钻水泥塞在普光气田的应用

1. 基本情况

P305-1井地层压力系数为1.06, P305-1井在普光气田主体投产过程当中发生套管变形, 暂时未进行投产作业, 后来引进小直径完井工具, 开始进行投产作业, 该井人工井底为5790.6m, 共有5个水泥塞, 总厚度350m, 由于该井在井段4019.5-4256.0米严重变形, 最小内径为Ф130.15mm, 使用Φ130mm×2.0m通井规可以通过。

2. 钻水泥塞

(1) 钻第一段水泥塞:下Φ130mm偏心刮刀钻头, 用密度1.15g/cm3无固相压井液正循环洗井, 加压5-15KN钻塞, 转盘转速85n/min, 钻塞井段:5199.15-5360.07m。返出物有絮状混合物 (如图1、图2) 。

(2) 钻第二段水泥塞:用密度1.11g/cm3无固相压井液正循环洗井, 加压5-15KN钻塞, 转盘转速85n/min, 钻塞井段5532.3-5558.42m, 加不上压, 冲下Φ88.9mm钻杆3单根, 至深度5596.1m, 出口有气体返出, 倒流程进分离器, 用密度1.11g/cm3无固相压井液正循环洗井, 泵压9.0MPa, 排量:0.4m3/min, 出口点长明火, 有气体燃烧, 火焰高0.2-1.8m。火焰燃烧128min熄灭, 关井测立管压力为0MPa, 返出有絮状物 (如图2) 。

该井历时8天, 共钻水泥塞384.7m, 气测显示5次, 其中硫化氢气体报警2次, 无固相压井液被硫化氢污染2次, 返出的无固相压井液粘度增加, 颜色变暗, 经过添加片碱等小料调整, 可以继续使用;在钻塞过程中采用每钻40m进行循环脱气1周, 在钻穿水泥塞后进行充分循环洗井脱气, 将积聚在水泥塞之下的高压气体循环洗出, 消除井控隐患。

经过实际验证, 调整无固相压井液合适粘度能够携带水泥碎屑, 过滤分离水泥碎屑, 达到钻水泥塞施工目的。

在普光101井采用无固相压井液钻水泥塞, 钻塞井段3537.58-3740.2m、3826.64-4128.44m, 共钻水泥塞504.42m, 没有发生沉淀和卡钻现象, 节约施工周期19天, 节约成本310万元。

3. 经济效益

使用现有无固相压井液进行钻塞施工, 避免了重新配制泥浆的工序, 即节约了费用, 又缩短了施工周期, 一口井节约成本15万元, 普光气田探井钻水泥塞井共12井次, 可增加经济效益180万元。

三、结论

1. 无固相压井液钻水泥塞可有效保护地层免受污染;

2. 无固相压井液调整粘度后可有效携带水泥碎屑, 满足钻水泥塞施工要求;

3. 无固相压井液具有反复利用性, 可节约成本, 提高经济效益;

4. 使用无固相压井液钻塞工艺, 可以减少调配泥浆的费用和周期;

5.调整无固相压井液粘度能够携带水泥碎屑, 达到钻塞目的;

6.使用无固相压井液钻水泥塞时返出物有少量絮状固相混合物, 经过沉淀过滤、离心机分离可以消除, 经过实际验证, 使用无固相压井液钻水泥塞比使用泥浆钻水泥塞维护液体更简便, 维护成本降低;

7. 使用无固相压井液钻水泥塞实现了液体再利用。