聚合醇钻井液的作用机理

聚合醇钻井液的作用机理

随着油气勘探的开展，对油气层及其他相关技术所面临的安全快速井开挖提出了越来越严格的要求。因此,人们开始着眼于研究能够解决上述问题的新型钻井液,由此而产生了诸如,甲酸盐钻井液、硅酸盐钻井液、聚合醇钻井液、合成基钻井液等新型钻井液体系。聚合醇钻井液是在上世纪90年代初发展起来的一种新型钻井液体系,由于它特殊的优点,如易生物降解,利于环保;无荧光,不干扰地质录井;保护油气层,与其它处理剂配伍性好等优点,近年来得到了人们的青睐。聚合醇通常也称为多元醇或复合醇,大多数由聚乙二醇、聚丙二醇或乙二醇与丙二醇等的共聚物,它是一种淡黄色透明的液体,无毒、无味,溶于水,具有浊点等特性,在钻井液中加入一定量的聚合醇而形成聚合醇钻井液。90年代初江汉石油学院的向兴金等人开发出聚合醇JLX系列产品,在海洋等油气田得到了广泛的应用,在安全快速钻井、保护油气层、润滑与环境保护等方面取得了很好的效果。聚合醇是一种非离子型表面活性剂,其水溶性受温度的影响比较大,当温度升高到一定程度时,聚合醇从水溶液中析出,表现出浊点效应,此温度为聚合醇的浊点温度,当温度低于浊点温度时,聚合醇又溶于水中。因此,聚合醇钻井液正是利用了它的浊点特性来进行设计的。一、聚合醇钻井液聚合醇钻井液是一种介于油基钻井液与水基钻井液之间的过渡型钻井液,其核心处理剂为聚合醇,它除了具有很好的润滑性、抑制性外,还兼有环保与保护储层的作用,它可有效对付水敏地层及复杂地层。近年来人们对聚合醇钻井液的作用机理等方面进行了大量的研究,也得到了一些普遍的共识,其观如下:(1)聚合醇具有浊点效应。聚合醇分子结构中一般含有聚氧乙烯与聚氧丙烯的基团,前者具有水溶性,而后者表现出疏水性。通过改变聚合醇中二者的比例调节其性能,在低温下与水形成均一透明溶液,随着温度的升高,在水溶液中的溶解度下降,从水溶液中析出,表现出浊点效应;当温度降低到浊点温度以下时,聚合醇开始溶解,聚合醇在钻井液中表现出的抑制性能与其浊点密切相关。浊点对聚合醇钻井液性能的发挥起着关键性的作用。在浊点温度以上时,溶解的聚合醇为连续的液相,能减少钻井滤液的化学活性,增加滤液的液相粘度,延长页岩失稳的时间;在浊点温度以上时,聚合醇分子发生相分离,从水中析出形成乳状液,不溶的聚合醇分子吸附在钻屑与泥页岩表面形成憎水膜,抑制页岩水化膨胀与分散,降低泥页岩的渗透率,阻止滤液渗入地层,实现钻井液性能稳定与井壁稳定,同时吸附于固体颗粒与钻具表面的类似油相的分子膜,可以改善钻井液的润滑性能,降低钻具的扭矩与摩阻,防止卡钻。因此,在钻井液循环过程中,防止钻屑带走聚合醇,应当保证钻井液中聚合醇的有效浓度。Bland认为,为了使高于浊点温度时析出的聚合醇能有效地封堵地层孔隙,其分子量应控制在500~2000范围内,否则粒径过大,不能进入页岩孔道,而使抑制页岩水化分散的作用减弱。Mcgil提出了为使聚合醇钻井液具有更好的抑制性能,聚合醇的表观浊点应低于或接近井底温度,一种有效的聚合醇产品最好由浊点不同的几种产物所构成,将浊点调整到井下循环温度一致。(2)聚合醇与无机盐氯化钾的协同效应。由于聚合醇分子内部的醚键与水分子竞争而吸附在粘土表面,形成体积较大的化合物层,并与钾离子发生协同作用,使结构的有序性与致密性进一步提高,从而有效地排斥水分子在粘土表面的附着,起到了减弱页岩水化,稳定页岩的作用。Aston研究了在KCl存在的条件下,用聚合醇与KCl浸泡的岩样中水的浓度与聚合醇浓度与浸泡时间、处理剂浓度的关系,研究发现:随着浸泡时间的延长或聚合醇浓度的提高,出现了含水量下降,聚合醇含量升高的现象,这说明了聚合醇取代了岩样中的吸附水,控制页岩表面的水化。然而,Reid研究了在无KCl存在的条件下,聚合醇的吸附量与页岩抑制的相关性,发现聚合醇在单独存在时,尽管聚合醇强烈吸附在粘土表面,但吸附量与抑制能力不成正比,而当聚合醇与KCl共存时,聚合醇平卧在相邻的粘土层间,形成致密的单分子层,控制井壁稳定的能力增强。由此可见,聚合醇中的醚键吸附与钾离子的共同作用是决定其抑制性的关键。(3)聚合醇的渗透机理。持该机理的学者认为,聚合醇主要通过增大滤液的粘度、降低滤液的化学活性,抑制页岩的水化分散。由于钻井液与页岩间存在着压差以及二者之间的水的活度不同,导致钻井液中水进入页岩,导致井眼失稳。聚合醇一方面可通过提高滤液的粘度,增加渗透阻力,减少滤失量,起到了控制页岩水化的作用,还可通过平衡页岩空隙水向井眼中渗透来阻止滤液进入页岩,进一步提高井壁的稳定性。二、采用聚乙烯醇开采系统聚合醇钻井液是以聚合醇为主处理剂的新型钻井液体系,对于快速钻井与环保等方面具有重要的意义,下面分别考察聚合醇对钻井液性能的影响。(1)聚合物醇钻井液水液温度在基浆中分别加入不同浓度的聚合醇,测定了聚合醇对钻井液流变性能的影响。实验中所使用的基浆为4%的膨润土+0.2%80A51+0.5%LV-CVC+2%SMP,从实验中可以看出:聚合醇钻井液的加入,不同程度地降低了钻井液的粘度与切力,失水也有所下降,表现出一种稀释降粘的作用,流变性能变好,但总的来说对钻井液性能影响不大,聚合醇的加入对钻井液的流变性能调节起到了一定的作用。(2)老化实验结果为了评价钻井液中加入3%的聚合醇后对热稳定性的影响,我们在上述基浆中改变聚合醇的加量测得了在不同温度老化后的实验数据,结果见表1。热滚前的流变参数为:PV=45mPa·s,YP=15Pa,FL=7.5mL。从表1中发现,经过高温老化实验后,钻井液的性能变化基本不大,聚合醇的存在对钻井液起到了稳定作用,能够延缓钻井液中其它有机处理剂的热降解作用,对维持钻井液具有良好的流变性能发挥了重要的作用。(3)无机盐对聚合醇溶液浊点的影响在上述基浆中加入3%的聚合醇,通过改变无机盐的浓度来考察对聚合醇溶液浊点的影响,实验结果如图1。从图1中可以发现,无机盐的加入能显著降低聚合醇溶液的浊点,随着无机盐浓度的增大,聚合醇溶液的浊点而降低,在无机盐浓度相同的条件下,KCl的影响稍大于NaCl,这是由于电解质对水分子的亲合能力大于对聚合醇的氢键的结合力,导致了水分子脱离聚合醇的倾向发生,浊点下降。(4)口易塌地层岩屑回收率在上述基浆中分别加入不同浓度的聚合醇,分别测定了聚合醇浓度的变化对页岩回收率的变化情况,实验结果见表2。回收率实验所使用的岩屑为青山口易塌地层页岩岩屑,其方法是把岩屑烘干、粉碎,经过5~8目筛后,取30g加入不同的增粘剂于基浆中,在120℃的条件下浸泡24h,取出后过40目筛称重,计算出回收率。从表2中可以发现,随着钻井液中聚合醇浓度的增大,页岩的回收率增大,继续增大其浓度,回收率变化幅度不大,总体考虑聚合醇的浓度在3%为宜。该实验也说明了聚合醇能有效地抑制页岩水化、分散的能力,可以避免在页岩地层钻进过程中井壁失稳的发生。(5)润滑性能评价使用极压润滑仪对聚合醇钻井液进行了润滑性能评价,在上述的基浆中分别加入2%的聚合醇与3%的白油来考察聚合醇钻井液的润滑性能,实验结果见表3。从表3可以看出:加入2%的聚合醇的降摩阻效高要好于3%的白油的降摩阻效果。降摩阻的效率达到49.9%,具有较好的润滑性能。三、聚合醇单独作用原理(1)聚合醇是一种非离子表面活性剂,具有浊点效应。当温度高于浊点温度时,发生相分离而从水中