毕业设计（论文）-冲砂液用聚合物的选择.doc

大庆石油学院本科生毕业设计 论文 0 目 录 第第 1 章章 概述概述 1 1 1 本论文研究的目的及意义 1 1 2 国内外冲砂液研究的现状 1 1 3 本论文研究的内容 2 第第 2 章章 冲砂液的分类和体系选择冲砂液的分类和体系选择 3 2 1 冲砂液的分类 3 2 2 冲砂液体系的选择 4 第第 3 章章 聚合物的简介聚合物的简介 8 3 1 HPAM 的简介 8 3 2 HPAM 的作用机理 9 3 3 瓜胶的简介 12 第第 4 章章 实验结果分析实验结果分析 13 4 1 实验过程 13 4 2 不同聚合物对冲砂液性能影响的分析 16 第第 5 章章聚合物流变模式的选择聚合物流变模式的选择 26 5 1 聚合物常用流变模式及其常规计算方法 26 5 2 几种常用的优选方法 28 5 3 瓜胶流变模式的优选 30 结结 论论 31 参考文献参考文献 32 致致 谢谢 33 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 1 第 1 章 概述 1 1 本论文研究的目的及意义 随着水平井及特殊工艺井油气钻探越来越多 对冲砂液技术提出了更高的要 求 安全 健康 高效 的冲砂液和逐渐形成的 冲砂液系统工程技术 的概念 标 志着冲砂液技术研究和应用进入了一个全新的发展阶段 如何提高冲砂液处理剂 和冲砂液的水平 以及今后冲砂液处理剂和冲砂液的开发方向成为研究的重要内 容 冲砂液工艺技术应向冲砂液工程技术转化 最终形成冲砂液工程技术 提高 钻井综合效益 有效地保护油气层和提高油井产量 1 2 国内外冲砂液研究的现状 1 2 1 国内外冲砂液技术现状 现状图 1 是国内外近 10 年处理剂新品种增加情况 国内外处理剂新品种的 增加量在逐渐降低 特别是国外降低比较明显 这说明国外在新产品的研制方面 脚步放慢 国内在 20 世纪 90 年代初期发展较快 90 年代后期速度变缓 进入 21 世纪发展速度又有所加快 但总的趋势是发展放缓 1 图 1 国内处理剂新品种增加情况 0 20 40 60 80 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 年份 新产品数量 个 国内 国外 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 2 1 2 2 发展方向 根据国内外冲砂液技术现状 今后冲砂液处理剂应重点研究 1 适用于深井 大于 4500 m 抗高温 150 180 或更高 抗盐 NaCl 至 饱和 抗钙或镁的增粘剂 降滤失剂 降粘剂和流型改进剂 2 大位移井 多分支井和水平井用的润滑剂 井壁稳定剂 流型改进剂 和低伤害处理剂 3 复杂易坍塌地层的泥页岩稳定剂 井壁封固剂和堵漏剂 4 低渗透地层钻井用保护油气层的各种处理剂 5 对环境要好 低成本的天然材料改性产品及无污染 能适用于环境保 护要求的合成聚合物处理剂 1 2 3 今后工作重点 1 开发专用的新单体 改进已有聚合物性能 开展无机 有机单体聚合物 处理剂研究 以降低聚合物成本 有利于保护油气层的屏蔽暂堵剂和冲砂液化学固 相清洁剂的完善 适用于不同地层温度的聚合醇或多元醇研究应用 2 重视天然产品的开发 主要包括木质素资源的利用 褐煤的深度改性 以及淀粉和纤维素资源在油田化学中的应用 3 规范产品命名 统一产品标准 标明产品的化学名称或化学成分 适 当开展基础研究 为开展处理剂的研制提供分子设计依据 并利用分子设计进行 处理剂的合成 重视与油气层保护和环境保护对应新产品的开发 1 3 本论文研究的内容 通过选择不同阳离子聚合物添加至冲砂液中 试验得出不同聚合物对冲砂液 性能的影响 其中选取的阳离子聚合物包括 DCL HPAM LT Desco AL 瓜胶等添加剂 具体实验内容包括 1 测定不同类型聚合物在不同加量下冲砂液的粘度和滤失量 2 优选出合适的聚合物 即提高冲砂液性能的聚合物 3 确定聚合物的最佳流变模式 宾汉 卡森 幂律 赫巴等 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 3 第 2 章 冲砂液的分类和体系选择 2 1 冲砂液的分类 1 天然冲砂液 该类冲砂液由膨润土 适量纯碱或烧碱以及清水配制而 成 或利用清水在易造浆地层钻进而自然形成 它基本上不添加处理剂 常用于 表层或浅层钻进 2 分散冲砂液 是以各种分散剂 如丹宁碱液 本质素磺酸盐等 作为 主剂配制而成的水基冲砂液 3 钙处理冲砂液 是一种因含有一定量 Ca2 和分散剂 体系中的粘土颗 粒保持适度絮凝状态 从而可以提高一直能力的水基冲砂液 根据 Ca2 来源不同 又分为石灰冲砂液 石膏冲砂液和氯化钙冲砂液三种类型 4 聚合物冲砂液 这类体系由于选用具有絮凝和包被租用的长链聚合物 进行处理 因而具有良好的剪切稀释特性 聚合物在冲砂液中还起增粘 降滤失 絮凝劣质土和稳定地层等作用 5 低固相冲砂液 是指体系中低密度固相的体积百分含量在不超过 10 的水基冲砂液 其中 膨润土的体积百分含量应控制在 3 以下 钻屑与膨润土 的比值应小于 2 1 其主要特点是可以明显地提高机械钻速 6 盐水基冲砂液 是指体系中 NaCl 的重量百分含量大于 1 的水基冲砂 液 当 NaCl 浓度达到饱和时 称为饱和盐水冲砂液 这类高矿化度的冲砂液体 系对粘土的水化有较强的抑制作用 2 7 修井完井液 是一种为防止对油气层造成损害而设计的特种体系 它 具有抑制粘土水化膨胀和微粒运移的效能 可用于钻开油气层 以及酸化 压裂 和修井等作业 8 油基冲砂液 该类体系包括普通油基冲砂液和油包水乳化冲砂液 前 者一般用柴油 氧化沥青 有机土和乳化剂 通常为脂肪酸和胺类的衍生物 等 配制而成 后者是以水作为分散相 柴油或低毒矿物油作为连续相 并添加有机 土以及各种乳化剂 润湿剂所形成的冲砂液 油基冲砂液具有耐高温 耐盐和有 利于保持井壁稳定等优良特性 9 气体类冲砂液 按国际钻井承包商协会的规定 该类钻井流体共包括 四个基本体系 空气 或天然气 雾 稳定泡沫和充气冲砂液 它们都是以空 气 或天然气 作为循环体系中的一部分或大部分 由于流体的密度小 一般用 于钻低压易漏失地层或低渗透气层 当用作完井流体时 可有效地保护油气层 2 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 4 2 2 冲砂液体系的选择 冲砂液设计是钻井工程设计的重要组成部分 也是冲砂液现场施工的依据 现在人们越来越认识到 钻井中出现的各种复杂情况都可能直接或间接地与所用 的冲砂液有关 因此设计合理的冲砂液方案是成功地进行钻井和降低钻井费用的 关键 2 2 1 选择冲砂液体系的基本准则 迄今为止 还不存在一种在任何情况下均适用的冲砂液 因此 必须根据井 的类别和地质 油层等情况 在综合考虑各方面的因素之后 对一口井所使用的 冲砂液体系分段进行合理的选择 在所选择体系应用于现场之前 应首先进行大 量的室内试验 以充分验证其适用性和可行性 在进行冲砂液设计时 经验也是 很重要的 特别是邻井使用冲砂液的经验更值得借鉴 Bleler 认为 在选择冲砂液时 主要应考虑以下各种因素 井下安全 是否 钻遇岩盐 石膏层 井下温度和压力 环境保护 井漏 页岩层稳定性 井眼轨 迹 压差卡钻 储层损害 测井要求 冲砂液成本 正确的做法是 在充分考虑 前面 10 个因素的基础上 最后考虑如何节约冲砂液成本 情况越复杂的井 考 虑的因素应越多 对冲砂液的要求也越高 但也有不少井各方面情况并不复杂 则没有必要选择价格昂贵的冲砂液 一般选用分散型淡水冲砂液 褐煤冲砂液以 及木质素磺酸盐冲砂液等便可满足要求 我国各油田在冲砂液体系的选择和配方 性能指标的设计方面 都已积累了 相当丰富的经验 现正在向科学化 最优化和标准化的方向发展 随着我国冲砂 液处理剂产品的不断发展 目前已有能力设计出各种性能优良的冲砂液体系 用 以对付井下可能出现的任何复杂情况 许多处理剂已经形成系列 可根据地质和 工程上的需要随时调整冲砂液性能 中国石油天然气总公司对冲砂液设计的原则 已有明确的规定 要求冲砂液工作必须有利于安全 优质 高效钻井 有利于取 全 取准地质 工程等各项资料 有利于发现和保护油气层 减少对油气层的损 害 有利于保护环境 2 2 2 根据油气井的类型选择体系 1 区域探井和预测井 钻该类井的主要目的是及时发现油气层位 由于对新探区 井下地质情况尚 不完全清楚 一次必须选用不影响地质录井并易于发现产层的冲砂液体系 即要 求冲砂液的萤火度和密度要低 目前 我国的地质 气测录井和测井方法均不能 有效地分辨用混油或油基冲砂液所钻地层 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 5 以及返出岩屑的含油气情况 一次对这类井的冲砂液一律不得混入原油和柴油 我国还规定 如遇到特别复杂的地层必须使用油基冲砂液或采取混油措施时 须 经局总地质师和总工程师研究决定后方可写入冲砂液设计中 为维护这类冲砂液 的低密度和低固相 应尽量使用不分散聚合物冲砂液 2 调整井 调整井的主要特点是地层压力很高 其原因多数是因油层长期高压注水 导 致地层的复杂性而造成的 因此 该类井的冲砂液密度常需高达 2 00g cm3以上 最高可达 2 70g cm3 这样高的密度给冲砂液的配制和维护带来较大的困难 为 了提高固相容量限 一般多选用分散冲砂液体系 必要时亦可选择油基冲砂液 配置高密度冲砂液和维持其流变性的关键是一定要控制好体系中膨润土的含量 防止动切力过高 在某些地区 由于多层压力层系并存 在钻调整井过程中喷 漏交替发生 尤其是井漏十分严重 此时应配合使用单向压力封闭剂和聚胺酯膨 体堵漏剂等 做好防漏 堵漏工作 确保安全钻进 3 超深井 通常将深度超过 5000m 的井称作超深井 超深井的特点主要是高温和高压 因此 对其冲砂液的基本要求是 热稳定性好 即经高温作用一定时间后 性能 不发生明显变化 高温对性能的影响较轻 即高温下的性能与常温性能的差别不 宜过大 高压差下泥饼的可压缩性好等等 为适应以上需要 必须使用抗温能力 强的处理剂和冲砂液体系 除选用油基冲砂液最为理想外 目前国内对付超深井 最有效的水基冲砂液是分散型的三磺冲砂液体系 近年来又进一步发展成聚磺冲 砂液体系 该类冲砂液兼有聚合物冲砂液和三磺冲砂液体系的一系列优点 用于 该类井中即可显著提高钻井速度和井壁稳定性 又能有效的减少卡钻事故发生 12 4 定向斜井和水平井 该类井的特点是井眼倾斜 升至与地面平行 在钻进过程中钻具与井壁的接 触面积大 摩阻高 井眼极易发生阻卡甚至卡钻 由于井眼轴线与垂向应力和井 壁围岩应力对井壁的稳定性更加不利 并且由于井斜段岩屑床的形成 该类井的 携带岩屑问题也比较难以解决 针对以上情况 必须采取比直井要求更高的防塌 防卡和携屑等技术措施 近年来 我国钻定向井的数量大幅度增长 并从单个定向井向丛式井组发展 已钻成多口高难度大斜度井 大位移井和水平井 在该类井的冲砂液技术方面 已研究成功多种适合各油田地质特点和不同井斜的防塌冲砂液 如阳离子聚合物 冲砂液和钾石灰反絮凝冲砂液等 较好地解决了因井斜而加剧的井塌问题 此时 玻璃微珠润滑剂和各种液体润滑剂的研究成功 有效的减少了粘卡事故的发生 并为顺利下套管和测井创造了条件 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 6 2 2 3 根据地层特点选择体系 1 盐膏层 如钻遇的盐膏层很薄 或属于盐膏夹层 有两种处理方法 一种是选用抗盐 抗钙的添加剂及时进行维护处理 使冲砂液维持设计所要求的各项性能 另一 种办法是在进入盐膏层前将冲砂液转化为盐水体系 如钻遇到纯的石膏层 一般 选用石膏处理冲砂液 2 易塌地层 易塌页岩地层的井壁稳定问题是至今尚未完全解决的一大技术难题 由于页 岩类型和引起坍塌的原因差别较大 不能设想用某一种冲砂液体系就能解决所有 井塌问题 因此仅依靠冲砂液的抑制性来解决井壁稳定问题的想法是不现实的 解决该问题的正确途径是 首先从分析不稳定问题地层矿物组分与结构特征入手 找出井壁失稳的原因 然后通过认真分析各种冲砂液体系及其处理剂与稳定井壁 的关系 确定防塌的对策和具体措施 近年来 我国在防塌冲砂液的研究方面也取得了较大进展 不断加深了对井 壁失稳机理的认识 初步地解决了不稳定页岩层的钻井问题 对如何根据地层特 点确定冲砂液方案有如下认识 对于强分散高渗透性的上部沙泥岩地层 因采用强包被的聚合物冲砂液 对于硬脆性页岩及微裂缝发育的易塌层 应选用 SAS 等沥青类处理剂 以封堵层理和裂隙 并起降低 HTHP 滤失量和泥饼渗透性的作用 对于存在混层粘土矿物的易塌层 必须选择抑制性强的冲砂液 如甲基 聚合物冲砂液 钾石灰冲砂液和阳离子聚合物冲砂液等 并加入封堵剂 对于用水基冲砂液难以对付的易塌层 可使用平衡活度的油基冲砂液 井塌常发生在有异常压力存在或构造应力发育的地带 因此应根据裸眼 井段最高地层压力系数确定冲砂液密度 防止负压钻井 3 易漏失地层 对于容易发生冲砂液漏失的地层 应采取以防漏为主的措施 当井漏一旦发 生 首先要测准漏失位置 并根据漏失量的多少判断漏层性质 然后及时选用相 应的堵漏措施 在施工过程中还应注意防止因冲砂液静切力过大或下钻过快 开 泵过猛等而憋漏地层 4 易卡钻地层 压差卡钻多发生在易形成较厚泥饼的高渗透性地层 如粗砂岩地层等 这类 地层一般对冲砂液有如下要求 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 7 减小压差是防卡的有效措施 因此要求冲砂液要有合理的密度 固相含量应尽可能低 特别是无用低密度固相的体积分数不得超过 0 06 应根据冲砂液类型的不同 选择有效的润滑剂 对探井 资料井 应选 择对地质录井资料没有影响的无荧光润滑剂 如 RT 001 等 应储备足够的解卡剂 一旦发生卡钻 可及时浸泡解卡 2 2 4 根据储层性质选择体系 钻井的主要目的是探明储量 拿到产量 因此 发现和保护好油气层是首要 的任务 这要求在进行油气井冲砂液设计时 首先必须以油气层的类型和特征为 依据 考虑可能导致油气层受损的各种因素 然后有针对性地采取有效措施以防 止和减轻损害 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 8 第 3 章 聚合物的简介 3 1 HPAM 的简介 聚合物 HPAM 产品已在多数油田钻井中进行了现场应用试验 结果表明 HPAM 具有良好的抑制地层和钻屑分散 控制泥浆的流变性和滤失量的能力 抗温 抗盐能力强 用量小 维护周期长 与其它处理剂配伍性好 可以有效地降低钻井液的 处理费用 3 1 1 HPAM 的物理性质 1 溶解性 HPAM 的主链呈线型 具有亲水的酰胺基 因此能溶于水 当把 HPAM 放入水中时 先呈现溶胀 继而溶解 HPAM 在水中的溶解 由于 大分子的扩散表较慢 表现出溶解过程的特殊性 当 HPAM 与水接触时 水分子 扩散到高聚物分子间的速度 远远超过高聚物向水分子间的扩散速度 HPAM 分 为线型和体型两类 线型高聚物 HPAM 在水中通过溶胀和溶解两个阶段达到完全 溶解 而体型高聚物 HPAM 在水中则既不能溶胀也不不能溶解对水有疏远性 另 外 HPAM 在绝大多数溶剂中是不溶的 故在其水溶液中添加大量的水溶性有机 溶剂 丙酮 甲醇等 时 它会从水溶液中沉降出来 2 粘度 HPAM 分子链在水溶液中 由于链很长 同水的接触面积增加 流动的阻力增大 使水溶液的粘度增高 而且粘度随 HPAM 的分子量 浓度及水 解度的不同而异 一般来说 其它条件相同时 分子量愈大 链愈长 水溶液的 粘度愈高 浓度愈大 分子力增强 使分子间距离缩短 加之卷曲的高分子链相 互聚结形成网状结构 使溶液粘度增高 粘度还受 PH 值的影响 在 PH 5 9 时并不明显 但在高 PH 值溶液中 常因水 解反应使粘度上升 此外 HPAM 的粘度随溶液的矿化度和温度的升高而降低 依据 HPAM 的粘度特性 为提高冲砂液的粘度可采取提高其水解度和浓度来实现 3 稳定性 HPAM 分子的主链中为 C C 链联结 比较牢固 故其热稳定 性能比较好 在 130 高温 不发生明显的降解反应 其固体的软化温度一般在 153 以上 当温度达到 270 时极速分解 热干燥时应注意温度不应过高 在常 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 9 温下 固体的 HPAM 长期存放时不变质 但具有吸湿性 其稀水溶液久放后有时 发生老化现象 粘度降低 4 润滑性 HPAM 水溶液具有良好的润滑减租性能 HPAM 分子吸附在 粘粒 钻杆 井壁的表面上形成一层具有一定润滑性的薄膜 使固体表之间的摩 擦转变为高分子链之间的摩擦 因此使摩擦阻力大大降低 使泥饼的粘滞系数减 小 能阻止泥饼粘附卡钻 8 3 1 2 HPAM 的化学性质 1 HPAM 在酸性条件下的化学反应 HPAM 在酸性条件下易形成分子内 或分子间的酰亚胺结构的产物 特别是分子间的结合 将会严重地影响聚合物的 水溶性 最终将成完全不溶的聚合物 2 HPAM 在水溶液中的各种化学反应 HPAM 在水溶液中通过各种反应 生成衍生物 此外 HPAM 能与多价阳离子发生交联反应而生成沉淀或者不溶于 水的体型胶凝物 实践中利用这一特点进行交联髑髅 3 1 3 HPAM 的絮凝能力和毒性 HPAM 的絮凝能力与其分子量的关系很大 分子量越大絮凝能力越强 分子 量越小絮凝能力越弱 HPAM 本身无明显的毒性 但有时其中含有残余质 其毒 性与其所含的残余量有密切关系 3 1 4 HPAM 的衍生物 HPAM 发生一些化学反应 其所得到的衍生物大多除用作絮凝剂外 随着高 聚物中酰胺基被置换的过程和聚合度的改变 还可以用作降滤失剂 稀释剂和增 粘剂等 3 1 5 HPAM 的共聚物 HPAM 与其它乙烯基单体的共聚物很多 其中不少可用作冲砂液处理剂 目 前 国外普遍采用共聚法生产这种产品 如 Am cyanamid Co 美国 的 Cydril 4000 Alidecolloids Inc 英国 的 AL Comer120 HoechstCo 西德 的 Hydropur B 40 都是丙烯酰胺与丙烯酸钠的共聚物 9 3 2 HPAM 的作用机理 高聚物絮凝剂是不分散低固相冲砂液重要的组成部分 它在冲砂液中的作用 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 10 是多方面的 除了主要起絮凝作用外 还兼有抑制 润滑减阻 交联堵漏 剪切 稀释等作用 3 2 1 絮凝作用 关于高聚物的絮凝作用机理 至今已经进行了大量的研究工作 但仍有争论 比较为大家所接受的是 桥联理论 即一个高聚物的分子同时被吸附在两个以上 的颗粒上 在它们之间架起桥来 然后通过大分子的蜷曲使这些颗粒产生聚结和 絮凝 根据这样一个设想 高聚物要产生絮凝作用 必须具有以下几个条件 1 高聚物必须是可溶性的 2 高聚物分子必须能和悬浮体颗粒发生吸附 因此要求大分子上有能产 生吸附的基团 3 高聚物必须是线型的 并有一个合适于分子伸展的条件 4 高聚物必须有一定的长度 使其能将一部分吸附于颗粒上 而另一部 分则伸进溶液中 5 悬浮体颗粒上必须有空白位置以供高聚物架桥时吸附 非水解的 HPAM 及部分水解 HPAM 按其絮凝作用原理的不同 可将它们分为 两类 1 完全絮凝剂 在冲砂液中加入 HPAM 后 使所有的固相都发生絮凝沉淀 即既絮凝岩粉及劣土 又絮凝膨润土 如目前所用的分子量为 150 350 万 水 解度为 2 左右的基本非水解的 HPAM 2 选择性絮凝剂 按其作用的不同又可分为 增效型选择性絮凝剂在冲砂液中只能絮凝岩粉和劣土 而不絮凝膨润土 同时还能增加冲砂液的粘度 如醋酸乙烯脂 马来酐共聚物 某种分子量和水解 度的部分水解 HPAM 非增效型选择絮凝剂在冲砂液中只能絮凝岩粉和劣土 而不絮凝膨润土 同时对冲砂液的粘度影响不大 如一些分子量较小的水解 HPAM HPAM 的完全絮凝机理是由于其分子链上的吸附基团 CONH2的氢与粘粒 表面上的氧产生氢键吸附 并由于其分子链很长 可以同时吸附几个粘粒 将几 个粘粒联结在一起 在其间架桥 几个粘粒由其分子链的吸附 架桥 而呈团状 絮凝物 造成动力上的沉降不稳定而絮沉 HPAM 分子链上几乎全是酰胺基 对 粘粒 岩屑具有较强的吸附和絮凝能力 故 HPAM 表现出全絮凝的性质 部分水解 HPAM 的絮凝机理与 HPAM 完全不同 因为部分水解 HPAM 的分 子链上除 CONH2外 还有一定数量的水化基团羧酸基 COONa 而 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 11 COONa 在水中可以电离 使其分子链带负电荷和水化 并由于静电斥力和水化 膜斥力 使蜷曲的分子链得到伸展 有利于 CONH2的吸附和絮凝 故它除具有 吸附 絮凝作用外 还具有较强的水化作用 对于不同类型粘粒 它所表现出的 吸附 絮凝能力也不同 由于膨润土的颗粒细 阳离子交换容量 C E C 80 150meq 100g 土 表面所带的永久负电荷多 双电层厚 静电位 低 水化膜薄 斥力小 故它对劣土表现为吸附 架桥 絮凝 因此 对部分水 解 HPAM 来说 在适当水解度 一般为 30 的条件下 对膨润土 劣土表现 为选择性絮凝的效果 3 2 2 抑制作用 非水解的和部分水解的 HPAM 可用以配制不分散低固相和无粘土冲砂液 用 于钻进泥页岩地层 以抑制泥页岩的水化膨胀 但对于高聚物能抑制泥页岩水化 膨胀的机理 目前并未彻底搞清楚 一种观点认为 高聚物能覆盖在页岩表面上 产生固结作用和一定的防水作用 另一种观点认为 除了高聚物能吸附在泥页岩 表面上外 其高分子链还能伸入泥页岩的微裂缝中起到固结和防止泥页岩水化膨 胀的作用 3 2 3 润滑减阻作用 HPAM 的润滑减阻作用机理目前不十分清楚 但从使用 HPAM 低固相及无 粘土冲砂液的效果看 确实具有减少钻头磨损 降低钻具与井壁泥饼之间的摩擦 阻力 有利于提高转速 地质钻探金刚石钻进 防止泥包和黏糊卡钻 减少泵 及其它零配件的磨损等优点 润滑减租机理可能是由于 HPAM 分子吸附在井壁 钻具及零配件表面上 形成了一层滑溜的高分子膜 减少了固相表面的粗糙度 象涂了一层润滑剂一样 使固相表面之间的摩擦转变成了高聚物与液相之间的摩 擦 有人认为润滑减阻作用是由于线型高聚物流动时的定向 与液流方向一致 抑制了紊流的发展所致 或者是弹性效应所致 3 2 4 交联堵漏作用 在 HPAM 低固相或无粘土冲砂液中加入无机物或有机物 使 HPAM 高聚物 产生交联形成体型不溶物 这时与粘粒结合在一起的高聚物就会产生强度很高的 堵漏物质 这些能使高聚物分子交联的药剂通常叫做交联剂 可以做交联剂的药 品主要有两大类 一类是在溶液中能电离产生高价阳离子的无机物 如三氧化铁 硫酸亚铁盐 硫酸铝 钾明矾 铵明矾等铝盐 以及含 Ca2 Mg2 等离子的石灰 石膏 水泥 氯化钙等 这些高价阳离子都能与酰胺基产生络合或与羧基生成难 溶盐而同时与多个基团相联 从而使 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 12 HPAM 形成网状结构 并产生脱水而形成不溶物 另外一类交联剂是有机醛类或 有机酸类 它们能使酰胺基发生交联反应 我国目前大多使用无机交联剂 当地 层发生漏失时 向 HPAM 低固相或无粘土冲砂液内加入交联剂 使高聚物生成不 溶的交联物 并包住大量冲砂液 这种交联物可堵住地层孔隙或裂隙 有时还可 以加入一些石棉粉以提高堵漏效果 3 2 5 剪切稀释和紊流减阻作用 HPAM 冲砂液具有一定的结构粘度 当流速 或剪切速率 降低时 其结构 又恢复 表观粘度增大 这种作用叫做剪切稀释作用 这种作用对喷射钻井和金 刚石钻进十分有利 当冲砂液通过钻头水眼时 粘度变小 可以充分清洗井底 冲砂液在环形空间时 由于流速减小 年度变大 有利于携带和悬浮岩屑 3 3 瓜胶的简介 瓜胶是一种天然高聚物 它由瓜儿植物种子 瓜儿豆中提取 瓜儿豆中的胶 体含量可达 40 瓜尔胶为大分子天然亲水胶体 主要由半乳糖和甘露糖聚合为 食品而成 属于天然半乳甘露聚糖 品质改良剂之一 一种天然的增稠剂 外观 是从白色到微黄色的自由流动粉末 能溶于冷水或热水 遇水后及形成胶状物质 达到迅速增稠的功效 3 3 1 组成和加工 瓜胶是一种非离子的 支链的多糖 半乳甘露糖 它由多个结构单元重复组 合而成 瓜胶的分子量为 200000 在其直链上平均每隔一个甘露糖单元有一个半乳糖 支链 每个重复单元有 9 个羟基 OH 这些羟基的存在可以对瓜胶进行改性 如用环氧乙烷对其改性 但是在制备瓜胶衍生物时 只有少数羟基参与反应 采用多级研磨和筛分的方法将瓜儿豆的内胚乳从壳和胚种中分离 磨细的粉 末可作为瓜胶原料 3 3 2 瓜胶的应用 在淡水或盐水中加入 0 3 0 6 的瓜胶就可配成具有一定粘度的溶液 一般 情况下 瓜胶用于配制低固相冲砂液 以降低滤失量和提高井壁的稳定性 瓜胶 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 13 在温度高于 65 55 度时很快降解 粘度降低 因此 它只能在浅井应用 同淀粉一样 瓜胶容易受细菌作用发酵而失效 在高含盐量或高 PH 值情况 下可防止其发酵 瓜胶亦易受酸的作用而降解 因此 它可用于水井钻进 在含 水层井壁上形成泥饼后 可用酸洗将其破坏掉 以保护含水层 水解瓜胶可用硼离子交联剂进行交联 以提高水溶液的粘度 如在 PH 值为 9 10 的 0 25 瓜胶水溶液中加入 0 05 的四硼酸钠 可将其粘度提高至 6000MPa s 此反应是可逆的 当 PH 值降至中性时 粘度下降 当 PH 值恢复到 9 10 时 粘度又重新提高 此交联反应可用于堵漏 改性后的瓜胶可用于无粘 土修井液 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 14 第 4 章 实验结果分析 4 1 实验过程 4 1 1 冲砂液的漏斗粘度测量 在现场 冲砂液的粘度习惯上常用马氏漏斗粘度计来测量 它测量冲砂液流 动时的时间变率 所得结果为表观粘度 通常以 s 为单位 测量仪器 1 马氏漏斗粘度计 2 秒表 3 搅拌器 4 冲砂液杯 测量步骤 1 一手持漏斗 并用手指堵住管口 将充分搅拌的冲砂液过筛网注入漏 700cm3 用量杯两端各量一次 2 将量杯 500cm3的一端朝上 置于漏斗管口下 一手持秒表 准备测量 3 放开堵住管口的手指 同时开动秒表 记下流满 500cm3量杯时所用的 时间 即为冲砂液的粘度 注意事项 1 使用前要用清水标定 方法同上 用清水标定 水值 为 15s 方可使用 2 手持漏斗粘度计时 要保持漏斗中心线垂直 3 保护好漏斗管 不可用铁丝等硬物去通 4 1 2 冲砂液的流变性能分析 通常使用流速旋转粘度计来分析冲砂液的流变性能 它有两个同轴立圆筒 内筒和外筒 当外筒旋转时 由于液体的粘滞性 把运动传给内筒 如果设 半径为 r2的外筒以恒定角速度旋转 半径为 r1内筒旋转一定的角度后不再转动 位于两圆筒之间的液体则呈同心圆筒层的形式旋转 贴紧外筒的液层 具有和外 筒相等的角速度 紧贴内筒的液层的角速度为零 测量仪器 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 15 1 电动流速旋转粘度计采用双速同步机 仪器有六个转速 每个转速对 应相应的速度梯度 测量粘度范围 对牛顿流体0 300mPa s 对非牛顿流体 0 150mPa s 剪切应力0 153 3Pa 2 变速部分 由变速箱 变速杆及变速电路组成 按动低速键钮 浅绿 灯亮 变速杆的三个位置 从上而下分别表示 100 r min 3 r min 300r min 扭动高速键钮 兰灯亮 变速杆的三个位置从上到下分别表 示 200 r min 6 r min 600r min 变速杆可以连续换挡 不须停机 3 测量部分 由扭力弹簧 刻度表 内筒 外筒组成 内筒与轴为锥度 配合 外筒是卡口连接 4 支架 箱体部分 包括底座 支撑轴托盘等 测量步骤 1 接通电源以 300r min 和 600r min 试运转 外筒不得有偏摆 掌握好 六个档的操作方法 2 检查指针是否正对刻度盘 0 位 如果不对 则须调 0 3 将刚搅拌过的冲砂液 约 350ml 倒入样品杯 立即置于托盘上 上升 托盘使液面至外筒刻度线处 固定好托盘 注意样品杯底与外筒之间的距离不应 小于 1 3cm 4 从高速到低速进行测量 待刻度盘平稳 记下各转速下的刻度盘读数 5 静切力测量 先将流体用 600r min 下搅拌 1min 然后静止 1min 用 3r min 测量 读得 的刻度盘最大值乘以 0 511 即为初切力 1 再将流体用 600r min 下搅拌 1min 静止 10min 用上述方法测量和计算 即得终切力 10 6 数据处理 310 31 0 511 0 511 0 511 300511 0 300 511 0 n K p 其中 0的单位为 mPa s K 的单位为 Pa sn 1 10分别为 1min 和 10min 时 冲砂液的静切力 塑性粘度 smPap 300600 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 16 表观粘度smPaa 600 2 1 流性指数 300 600 lg32 3 n 4 1 3 冲砂液的滤失量 冲砂液滤失量的测定 对冲砂液的控制及处理将起到重要作用 该性能不仅 受到冲砂液中故乡含量以及一些物理及化学方面的影响 同时也将受到温度压力 变化的影响 因此 通常需要测量室温低压下滤失量及高温高压下的滤失量 我 们这里只测量室温低压下的滤失量 测量仪器 六联气压失水仪 1 六联气压失水仪的结构及工作原理 仪器主要有气源输入部分 输出 部分 和冲砂液杯等组成 2 气源输入部分由盖 气瓶和通气组成 六联失水仪用钢瓶供气 把装 有 CO2气体的气瓶装入气源输入部件 把盖拧紧 气瓶即打开 CO2气体进入减 压阀 拧紧手柄 可使输出的气体压力达到要求值 减压阀上装有压力表 指示 此压力 3 输出部件上装有放空阀和三通接头 三通接头与冲砂液杯接通 放空 阀把剩余压力放空 当放空阀关死时 减压阀输出被密封圈堵死 气体无法进入 冲砂液杯 而冲砂液杯与大气相通 当放空阀退出时 冲砂液杯与大气隔绝而与 减压阀输出相通 CO2气体由减压阀输出进入冲砂液杯 测量步骤 1 打开气瓶 调整减压阀 使之准确为 0 7MPa 2 取下冲砂液杯 在底部扁密封圈下放一张滤纸 旋紧冲砂液杯卡口 9 倒入冲砂液至杯内刻度线 小心放到支撑架上 放好上部密封圈 大小要合适 用手摸一下 以防密封不严 旋紧冲砂液杯盖顶部螺丝 取一只墨筒 放到支 撑架托盘上 用露丝固定好 拿好秒表 准备测量 3 逆时针旋转放空阀手柄至一定程度 气体进入冲砂液杯 按动秒表 开始计时 此时不可继续旋转手柄 以防止将放空阀完全旋出 将起源气体完全 放出 观察气体是否进入冲砂液杯 基本有两种方法 第一种 当冲砂液杯排放 管有虑失液出现时 表明以进气 第二种 当压力表指针往回偏摆 以后又慢慢 恢复到 0 7MPa 时 表明气体已进入冲砂液杯 当冲砂液初失水很小时 不宜采 用第一种方法 4 30min 后 取下量筒 顺时针旋转放空阀 注意不要弄错方向 到一定程度 听到 咝咝 的声音 同时可感觉到气体从手柄上的气眼中放出 声 音消失时 旋紧手柄 即可安全卸下冲砂 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 17 液杯 读取量筒中滤液的体积 ml 即得冲砂液的失水量 通常应测量 30min 的失水量 但对于 API 试验来说 如失水量大于 8ml 用 7 5min 所得的失水量乘 以 2 即得 API 失水量的近似值 注意事项 1 熟练使用三通阀 以避免实验失败或出现危险 2 往冲砂液杯放滤纸时 不要打湿滤纸 以免影像测量结果准确性 3 密封圈要放好 4 1 4 流变参数的测量与计算 1 把配制好的冲砂液倒入测量杯 并使冲砂液刚好达到外筒的刻度线上 内外筒底部与测量杯底之间的距离应不小于 1 2cm 如果在井场测量时 从井上 取回冲砂液后 应马上测定 以便使测量时的温度尽可能地接近实际温度 2 配制好的冲砂液在室温条件下用六速旋转粘度计依次测定 600r min 300r min 10r min 3r min 的稳定读值 测完 3r min 后 马上 将转速调回 600 min 转动 10s 再把转速调到 3r min 关掉开关 同时记时 静止 1min 在注视读数盘情况下打开开关 读取最大读数 再用同样的方法测定 静止 10min 的最大读数 依下式计算表观粘度 AV 塑性粘度 PV 动切力 YP 静切力 G 10s 和 l0min AV 600r min 读数 2 PV 600r min 读数 300r min 读数 YP 300r min 读数 2 600r min 2 G10s 静置 l0s 后的 3r min 最大读数 2 G10min 静置 l0min 后的 3r min 最大读数 2 式中 AV 表观粘度 mPa s PV 塑性粘度 mPa s YP 动切力 Pa G10s 静置 10s 静切力 Pa G10min 静置 l0min 静切力 Pa 一般冲砂液常用的流变参数有 AV PV YP G10s G10min 滤失量 其他流 变参数一般不强调 实验也以冲砂液的粘度和滤失量的变化为主要研究对象 4 4 2 不同聚合物对冲砂液性能影响的分析 冲砂液的配制是将 4 膨润土 0 4 碳酸钠加入 2000ml 的冲砂液中 搅拌 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 18 1h 然后在室内静置 24 小时 不同类型的处理剂对冲砂液的性能有不同的影响 利用上述的实验方法对冲砂液液体系的性能参数进行测量 其中包括 表观粘度 AV 冲砂液滤失量 塑性粘度 PV 动切力 YP 静置 10s 的切力 G10s和静置 10min 的切力 G10min 并得出加入聚合物前后冲砂液表观粘度 塑性粘度和动 静 切力的变化规律 对处理剂的性能进行综合评价 4 2 1 HPAM对冲砂液性能的影响 将不同量的HPAM 浓度为0 2 分别加入至2000ml的冲砂液中 具体的加 入量是2 5ppm 5ppm 7 5 ppm 10 ppm和12 5ppm 这样得出一组实验数据 如 表4 1 表4 1 不同加量下HPAM对冲砂液性能的影响 由表4 1可以看出 不同加量的HPAM对冲砂液参数的影响不同 其对冲砂 液的粘度和滤失量的影响较为明显 可以看出随着HPAM的量加大 冲砂液的粘 度增大 滤失量减小 但是由于加量的变化率比较小 粘度的增大并不明显 滤 失量的降低比较明显 AV PV有所增加 观察YP G1 G10等参数的变化并不 明显 可以得出结论 HPAM在冲砂液的粘度和滤失量上有一定的影响 具有增 粘 降滤失的作用 是比较优秀的聚合物 可以将上面的数据反映在图4 1 图 4 2中 HPAM ppm 粘度 s AV mPa s PV mPa s YP Pa G10s Pa G10min Pa 滤失量 ml 2 527 3623 01945 455 940 5 028 8024 02046 837 837 7 529 6824 02047 367 336 10 031 0025 02038 339 036 12 532 0025 52157 998 635 27 28 29 30 31 32 33 051015 HPAM加量 ppm 粘度 s 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 19 图4 1 HPAM加量与冲砂液粘度的关系 图4 2 HPAM加量与冲砂液滤失量的关系 4 2 2 Desco对冲砂液性能的影响 将不同量的Desco 浓度为10 加入至2000ml的冲砂液中 具体加入量分别 是400ppm 800ppm 1200ppm 1600ppm和2000ppm 实验所得的一组数据 如 表4 2 表4 2 不同加量下的Desco对冲砂液性能的影响 由表4 2可以看出 不同加量的Desco对冲砂液参数的影响不同 其对冲砂 液粘度和滤失量的影响较小 Desco的量每加大400ppm时 冲砂液的粘度降低 滤失量减小 但都不明显 AV PV降低的较为明显 在YP G1 G10参数上的 变化率也不明显 可以得出结论 Desco在冲砂液的粘度和滤失量上有一定的影 响 但影响较小 不是我们所需要的优秀聚合物 可以将上面的数据反映在图 4 3 图4 4中 Desco ppm 粘度 s AV mPa s PV mPa s YP Pa G10s Pa G10min Pa 滤失量 ml 40032 2018124 03 043 0031 0 80031 5916113 02 112 0130 0 120030 9314103 02 051 7529 5 160029 801382 51 010 5528 5 200028 901282 00 520 5527 5 34 35 36 37 38 39 40 41 051015 HPAM加量 ppm 滤失量 ml 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 20 图4 3 Desco加量与冲砂液粘度的关系 图4 3 Desco加量与冲砂液粘度的关系 图4 4 Desco加量与冲砂液滤失量的关系 4 2 3 DCL对冲砂液性能的影响 将不同量的DCL 浓度为2 加入至2000ml的冲砂液中 具体加量分别是 200ppm 400ppm 600ppm 800 ppm和1000ppm 实验得出一组数据 如表4 3 由表4 3可以看出 不同加量的DCL对冲砂液参数的影响不同 其对冲砂液 的粘度影响很小 滤失量的影响很大 DCL每加大200ppm时 冲砂液的粘度基本 不变 滤失量的降低很明显 AV PV都有所降低 其他的在YP G1 G10参数 上的变化不明显 可以得出结论 DCL在对冲砂液滤失量上有很大的影响 是优 秀的降滤失聚合物 可以将上面的数据反映在图4 5 图4 6中 0 5 10 15 20 25 30 35 05001000150020002500 Desco加量 ppm 粘度 s 0 5 10 15 20 25 30 35 05001000150020002500 Desco加量 ppm 滤失量 ml 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 21 表4 3 不同加量下的DCL对冲砂液性能的影响 图4 5 DCL加量与冲砂液粘度的关系 DCL ppm 粘度 s AV mPa s PV mPa s YP Pa G10s Pa G10min Pa 滤失量 ml 200 29 15 21 0183 01 001 5535 400 29 56 20 0182 01 001 5332 600 29 91 17 0143 00 511 3828 800 30 15 15 5132 50 511 2025 1000 30 47 15 0123 00 511 1522 10 15 20 25 30 35 40 050010001500 DCL加量 ppm 滤失量 ml 0 5 10 15 20 25 30 35 050010001500 DCL加量 ppm 粘度 s 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 22 图4 6 DCL加量与冲砂液滤失量的关系 4 2 4 LT对冲砂液性能的影响 将不同量的LT 浓度为1 加入至2000ml的冲砂液中 加量分别是 200ppm 400ppm 600 ppm 800ppm和1000ppm 实验得出一组数据 如表4 4 表4 4 不同加量下LT对冲砂液性能的影响 由表4 4可以看出 不同加量LT对冲砂液参数的影响不同 其对冲砂液粘度 的影响较小 且会增加冲砂液滤失 每增加200ppm时 AV PV降低 在 YP G1 G10参数上的变化率不明显 可以得出结论 LT具有较小的增粘 增加 滤失作用 不是我们需要的聚合物 可以将上面的数据反映在图4 7 图4 8中 图4 7 LT加量与冲砂液粘度的关系 LT ppm 粘度 s AV mPa s PV mPa s YP Pa G10s Pa G10min Pa 滤失量 ml 20028 7516 014 02 00 5111 02042 0 40029 6315 513 52 10 5111 02043 0 60030 5415 013 02 00 5111 02043 5 80031 0714 012 02 50 5111 02044 0 100032 0013 011 02 00 5110 78845 0 0 5 10 15 20 25 30 35 050010001500 LT加量 ppm 粘度 s 0 10 20 30 40 50 050010001500 LT加量 ppm 滤失量 ml 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 23 图4 8 LT加量与冲砂液滤失量的关系 4 2 5 AL对冲砂液性能的影响 将不同量的AL 浓度为1 加入至2000ml的冲砂液中 加量分别是 10ppm 20ppm 30 ppm 40ppm和50ppm 实验得出一组数据 如表4 5 表4 5 不同加量下的AL对冲砂液性能的影响 由表4 5可以看出 不同加量的AL对冲砂液参数的影响不同 其对冲砂液的 粘度和滤失量的影响明显 可以看出AL的量每加大10ppm 冲砂液的粘度明显增 大 滤失量明显减小 AV PV增大 在YP G1 G10参数上的变化不明显 可 以得出结论 AL在冲砂液的粘度和滤失量上有很大影响 具有增粘 降低滤失的 作用 是可供选择的优秀聚合物 将上面的数据反映在图4 9 图4 10中 图4 9 AL加量与冲砂液粘度的关系 AL ppm 粘度 s AV mPa s PV mPa s YP Pa G10s Pa G10min Pa 滤失量 ml 1032 971614 03 01 0201 77837 2034 681714 53 01 0201 77835 3036 831815 04 02 0401 51132 4038 542015 54 02 0401 51130 5039 152116 04 51 7881 51127 32 33 34 35 36 37 38 39 40 0204060 AL加量 ppm 粘度 s 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 0204060 AL加量 ppm 滤失量 ml 大庆石油学院本科生毕业设计 论文 24 图4 10 AL加量与冲砂液滤失量的关系 4 2 6 瓜胶对冲砂液性能的影响 将不同量的瓜胶 浓度为1 加入至2000ml的冲砂液中 加量分别是 50ppm 100ppm 150ppm 200ppm和250ppm 实验得出一组数据 如表4 6 表4 6 不同加量下的瓜胶对冲砂液性能的影响 由表4 6可以看出 不同加量的瓜胶对冲砂液参数的影响不同 其对冲砂液 的粘度和滤失量的影响比较明显 瓜胶的量每加大50ppm 冲砂液的粘度明显增 大 滤失量明显减小 AV PV增大 在YP G1 G10参数变化并不明显 可以 得出结论 瓜胶对冲砂液的粘度和滤失量有明显影响 具有增粘 降滤失的良好 作用 是可供选择的优秀聚合物 将上面的数据反映在图4 11 图4 12中 瓜胶 ppm 粘度 s AV mPa s PV mPa s YP Pa G10s Pa G10min Pa 滤失量 ml 5028 15201462 041 51134 10029 362114 56 52 041 51132 15030 23221572 541 51131 20032 08241682 541 51130 25034 832516 58 53 01 51129 20 22 24 26 28